ÀÑÒÐÎÍÎÌÈß è ÀÑÒÐÎÔÈÇÈÊÀ
ÃÀËÀÊÒÈÊÈ Ðåäàêòîð-ñîñòàâèòåëü Â. Ã. Ñóðäèí
Ìîñêâà ÔÈÇÌÀÒËÈÒ ® 2013
ÓÄÊ 524 ÁÁÊ 22.67 À 91 À â ò î ð ñ ê è é ê î ë ë å ê ò è â: Â. Ñ. Àâåäèñîâà, Ä. Ç. Âèáå, À. È. Äüÿ÷åíêî, À. Â. Çàñîâ, Á. Â. Êîìáåðã, Â. Â. Îðëîâ, Ë. Ï. Îñèïêîâ, Ñ. Â. Ðåïèí, À. Â. Ðóáèíîâ, Î. Ê. Ñèëü÷åíêî, Â. Ã. Ñóðäèí
À 91
Ãàëàêòèêè / ðåä.-ñîñò. Â. Ã. Ñóðäèí. — Ì. : ÔÈÇÌÀÒËÈÒ, 2013. — 432 ñ. — (Àñòðîíîìèÿ è àñòðîôèçèêà). ISBN 978-5-9221-1445-5 ×åòâåðòàÿ êíèãà èç ñåðèè «Àñòðîíîìèÿ è àñòðîôèçèêà» ñîäåðæèò îáçîð ñoâðåìåííûõ ïðåäñòàâëåíèé î ãèãàíòñêèõ çâåçäíûõ ñèñòåìàõ — ãàëàêòèêàõ. Ðàññêàçàíî îá èñòîðèè îòêðûòèÿ ãàëàêòèê, îá èõ îñíîâíûõ òèïàõ è ñèñòåìàõ êëàññèôèêàöèè. Äàíû îñíîâû äèíàìèêè çâåçäíûõ ñèñòåì. Ïîäðîáíî îïèñàíû áëèæàéøèå ê íàì ãàëàêòè÷åñêèå îêðåñòíîñòè è ðàáîòû ïî ãëîáàëüíîìó èçó÷åíèþ Ãàëàêòèêè. Ïðèâåäåíû äàííûå î ðàçëè÷íûõ òèïàõ íàñåëåíèé ãàëàêòèê — çâåçäàõ, ìåæçâåçäíîé ñðåäå è òåìíîé ìàòåðèè. Îïèñàíû îñîáåííîñòè àêòèâíûõ ãàëàêòèê è êâàçàðîâ, à òàêæå ýâîëþöèÿ âçãëÿäîâ íà ïðîèñõîæäåíèå ãàëàêòèê. Êíèãà îðèåíòèðîâàíà íà ñòóäåíòîâ ìëàäøèõ êóðñîâ åñòåñòâåííî-íàó÷íûõ ôàêóëüòåòîâ óíèâåðñèòåòîâ è ñïåöèàëèñòîâ ñìåæíûõ îáëàñòåé íàóêè. Îñîáûé èíòåðåñ êíèãà ïðåäñòàâëÿåò äëÿ ëþáèòåëåé àñòðîíîìèè.
Íà ïåðåäíåé ñòîðîíå îáëîæêè: cïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà NGC 4414. Ôîòî: êîñìè÷åñêèé òåëåñêîï «Õàááë», NASA, ESA. Íà çàäíåé ñòîðîíå îáëîæêè: çàãàäî÷íàÿ ãàëàêòèêà NGC 4622 ñ äâóìÿ ñèñòåìàìè ïðîòèâîïîëîæíî íàïðàâëåííûõ ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ. Ôîòî: êîñìè÷åñêèé òåëåñêîï «Õàááë», NASA, ESA. Íà ïåðåäíåì ôîðçàöå: cïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû (Ì31). Ôoòî: Robert Gendler. Íà çàäíåì ôîðçàöå: cïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà NGC 253. Ôîòî: R. Jay GaBany, Cosmotography.
ISBN 978-5-9221-1445-5
© ÔÈÇÌÀÒËÈÒ, 2013
Ïðåäèñëîâèå
âàæàåìûé ÷èòàòåëü, ýòà êíèãà — ÷åòâåðòàÿ â ñåðèè «Àñòðîíîìèÿ è àñòðîôèçèêà», êîòîðóþ ìû ñ êîëëåãàìè ñîçäàåì ñ 2008 ãîäà. Ïåðâàÿ èç êíèã ýòîé ñåðèè, «Íåáî è òåëåñêîï», ïîñâÿùåíà îñíîâíûì ïîíÿòèÿì àñòðîíîìèè è ìåòîäàì àñòðîôèçè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé. Âòîðàÿ êíèãà, «Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà», ðàññêàçûâàåò î áîëüøèõ è ìàëûõ òåëàõ íàøåé ïëàíåòíîé ñèñòåìû, îá ýêñïåäèöèÿõ ê íèì è î òîì, ÷òî àñòðîíîìû ñìîãëè óçíàòü î ïðèðîäå ýòèõ òåë. Òðåòüþ êíèãó ýòîé ñåðèè ìû íàçâàëè «Çâåçäû» è ðàññêàçàëè â íåé îá èñòîðèè èññëåäîâàíèÿ è êëàññèôèêàöèè çâåçä, î ñîâðåìåííîé ôèçè÷åñêîé òåîðèè âíóòðåííåãî ñòðîåíèÿ çâåçä è âàæíåéøèõ ýòàïàõ èõ ýâîëþöèè. Íûíåøíÿÿ ÷åòâåðòàÿ êíèãà â îïðåäåëåííîì ñìûñëå çàâåðøàåò êðóã, ïîñêîëüêó â íåé ìû âûõîäèì íà ïðîñòîðû íàøåé ãàëàêòèêè è äàëåå — âî Âñåëåííóþ. Íî ýòî íå îçíà÷àåò, ÷òî ìû çàêàí÷èâàåì íàøó ñåðèþ. Àñòðîíîìèÿ è àñòðîôèçèêà ñòîëü ñîäåðæàòåëüíû è òàê áîãàòû óäèâèòåëüíûìè íàõîäêàìè, ÷òî íàì áû õîòåëîñü ïðîäîëæèòü ðàáîòó è ðàññêàçàòü ëþáîçíàòåëüíîìó ÷èòàòåëþ î ñàìûõ ïîñëåäíèõ èññëåäîâàíèÿõ â ýòîé îáëàñòè. Ðåçóëüòàòû èçó÷åíèÿ íåáåñíûõ îáúåêòîâ íàñòîëüêî èíòåðåñíû è ïðè ýòîì âïîëíå äîñòóïíû äëÿ âíèìàíèÿ øèðîêîãî êðóãà ÷èòàòåëåé, ÷òî ïåðâûå ÷åòûðå êíèãè ýòîé ñåðèè — ìû íàäååìñÿ — ñòàíóò ïðåääâåðèåì âàøåãî áîëåå ãëóáîêîãî ïîãðóæåíèÿ â ìèð êîñìè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé. Çàäóìûâàÿ êàæäóþ íîâóþ êíèãó, à òåì áîëåå ñåðèþ êíèã, êàæäûé àâòîð ïûòàåòñÿ ïðåäñòàâèòü ñåáå áóäóùåãî ÷èòàòåëÿ è ñäåëàòü òàê, ÷òîáû êíèãà ïîêàçàëàñü åìó àêòóàëüíîé, îêàçàëàñü äëÿ íåãî èíòåðåñíîé è êàê ìîæíî äîëüøå îñòàâàëàñü ïîëåçíîé. Ñî÷åòàòü âñå ýòè òðåáîâàíèÿ íåïðîñòî. Ëþáîçíàòåëüíîãî ÷èòàòåëÿ ïðåæäå âñåãî èíòåðåñóþò îòêðûòèÿ ïîñëåäíèõ äíåé, î êîòîðûõ ïèøóò â Èíòåðíåòå è ðàññêàçûâàþò â íîâîñòÿõ. Îäíàêî ñåíñàöèîííûå ñîîáùåíèÿ ðåäêî áûâàþò ïîëíîöåííûìè è áåçóïðå÷íî òî÷íûìè; îáû÷íî îíè íå âñòðàèâàþòñÿ êàê îðãàíè÷íûé ýëåìåíò â ìîçàèêó óæå èçâåñòíîãî ÷èòàòåëþ, è ïîýòîìó, íà íàø âçãëÿä, ïîëüçû îò íèõ ìàëî. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ñàìûìè òî÷íûìè è ïîëåçíûìè êíèãàìè, áåç ñîìíåíèÿ, ÿâëÿþòñÿ ó÷åáíèêè è ñïðàâî÷íèêè, ïðî÷èòàòü êîòîðûå îò êîðêè äî êîðêè ìàëî êîìó óäàâàëîñü. Îòäàâàÿ ñåáå îò÷åò, ÷òî ñî÷åòàòü çàõâàòûâàþùèé äåòåêòèâ ñ çàíóäíûì ñïðàâî÷íèêîì ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíî, ìû òåì íå ìåíåå ïî-
Ó
4
Ïðåäèñëîâèå
ñòàâèëè ïåðåä ñîáîé àìáèöèîçíóþ çàäà÷ó: ñîçäàòü êíèãè, êîòîðûå õîòåëîñü áû ïðî÷èòàòü çàëïîì, íî ïðè ýòîì îíè áû åùå äîëãî ìîãëè ñëóæèòü ÷èòàòåëþ äëÿ ðàáîòû è õîááè. Óäàëîñü ëè íàì ýòî õîòÿ áû ÷àñòè÷íî — ñóäèòü âàì.  ýòîé êíèãå äåâÿòü ãëàâ è Ïðèëîæåíèÿ. Ïåðâàÿ ãëàâà — ââîäíàÿ: îíà çíàêîìèò ñ îñîáåííîñòÿìè ìèðà çâåçäíûõ ñèñòåì. Âòîðàÿ è òðåòüÿ ãëàâû ïîñâÿùåíû ôèçèêå êîëëåêòèâíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ çâåçä; ýòè ãëàâû íàèáîëåå ìàòåìàòè÷íû, ïîýòîìó òîò, êòî íå îùóùàåò îáàÿíèÿ ôîðìóë, ìîæåò ïðè ïåðâîì ÷òåíèè èõ ïðîïóñòèòü. ×åòâåðòàÿ è ïÿòàÿ ãëàâû çíàêîìÿò íàñ ñ ëîêàëüíîé îáëàñòüþ Ãàëàêòèêè, ñ åå îêîëîñîëíå÷íûìè îêðåñòíîñòÿìè, â øåñòîé ãëàâå ñäåëàíà ïîïûòêà óâèäåòü Ãàëàêòèêó öåëèêîì. Ñåäüìàÿ ãëàâà ðàññêàçûâàåò î ðàçíîîáðàçèè ìèðà ãàëàêòèê, îá îñíîâíûõ õàðàêòåðèñòèêàõ ðàçëè÷íûõ çâåçäíûõ ñèñòåì, à â âîñüìîé ãëàâå ðàññêàçàíî îá ïîïûòêàõ àñòðîíîìîâ ïîíÿòü ïðîèñõîæäåíèå è ïðîñëåäèòü ýâîëþöèþ ãàëàêòèê.  çàêëþ÷èòåëüíîé äåâÿòîé ãëàâå ñîáðàíû èíòðèãóþùèå äàííûå îá àêòèâíîñòè çàãàäî÷íûõ ÿäåð ãàëàêòèê. À Ïðèëîæåíèå — ýòî òî, ÷òî äîëæíî ñäåëàòü íàøó êíèãó ïîëåçíûì ñïðàâî÷íèêîì äëÿ íàáëþäàòåëåé íåçàâèñèìî îò ýâîëþöèè èäåé òåîðåòèêîâ.  êîíöå êàæäîãî ãîäà, ïîäâîäÿ åãî èòîã, íàó÷íûå æóðíàëèñòû îïðàøèâàþò ó÷åíûõ è ïóáëèêóþò ñïèñîê äåñÿòè íàèáîëåå çíà÷èìûõ îòêðûòèé ãîäà. Ïðîñìàòðèâàÿ ýòè ñïèñêè çà ïîñëåäíèå äåñÿòèëåòèÿ, ìû îáíàðóæèì, ÷òî â êàæäîì èç íèõ ñðåäè âàæíåéøèõ îòêðûòèé çíà÷àòñÿ íàõîäêè, ñäåëàííûå â íàøåé èëè ñîñåäíèõ ãàëàêòèêàõ. È ýòî íå óäèâèòåëüíî. Âåäü íàøà ãàëàêòèêà è îêðóæàþùèå åå «çâåçäíûå îñòðîâà» — ýòî è åñòü òîò ìèð, â êîòîðîì ìû æèâåì. Åãî ðàçíîîáðàçèå âñåãäà áóäåò ïðåâûøàòü ïðåäåëû íàøèõ çíàíèé è äàæå ïðåäåëû íàøåé ôàíòàçèè. Íåîòêðûòîãî â íèõ âñåãäà áóäåò áîëüøå, ÷åì èçâåñòíîãî. «Ãàëàêòèêè — ýòî ãèãàíòñêèå ñêîïëåíèÿ çâåçä», — äóìàëè íàøè äåäû; «ýòî ñêîïëåíèÿ çâåçä è ìåæçâåçäíîãî ãàçà», — óòî÷íÿëè íàøè îòöû. Ñåãîäíÿ ìû çíàåì, ÷òî ãàëàêòèêè — ýòî ñëîæíî îðãàíèçîâàííûå ñèñòåìû èç çâåçä, ïëàíåò, äèôôóçíîãî ìåæçâåçäíîãî âåùåñòâà ðàçíîîáðàçíîãî òèïà (ïëàçìà, àòîìû, ìîëåêóëû, ïûëèíêè), èç ýëåêòðîìàãíèòíûõ êâàíòîâ, ðåëÿòèâèñòñêèõ ÷àñòèö, à òàêæå — ïî áîëüøåé ÷àñòè (!) — èç íåèçâåñòíûõ ó÷åíûì ôîðì âåùåñòâà, óñëîâíî íàçûâàåìûõ òåìíîé ìàòåðèåé. Èññëåäîâàíèÿ ãàëàêòèê ñðîäíè èçó÷åíèþ æèâûõ êëåòîê: ìû ïîñòîÿííî óçíà¸ì î íîâûõ òèïàõ èõ âíóòðåííèõ ñòðóêòóð è íàñåëÿþùèõ èõ îáúåêòîâ, î ñïîñîáàõ èõ âçàèìîäåéñòâèÿ äðóã ñ äðóãîì, î ïðîöåññàõ èõ êîíêóðåíöèè è âçàèìíîãî ïîãëîùåíèÿ (à ïîðîþ è äåëåíèÿ!), íî äî ñèõ ïîð ìû íå èìååì òî÷íûõ äàííûõ îá èõ ïðîèñõî-
Ïðåäèñëîâèå
5
æäåíèè. Ïîäîáíî òîìó êàê æèâûå îðãàíèçìû ñîñòîÿò èç êëåòîê, «îðãàíèçì» Âñåëåííîé ñîñòîèò èç ãàëàêòèê. ×åì áîëüøå ìû óçíàåì î ãàëàêòèêàõ è êëåòêàõ, òåì èíòåðåñíåå ñòàíîâèòñÿ ýòà àíàëîãèÿ. Âñïîìíèì õîòÿ áû î ÿäðàõ: ó îäíèõ ãàëàêòèê/êëåòîê îíè åñòü, ó äðóãèõ — íåò. Íî ãëàâíàÿ çàãàäêà òåõ è äðóãèõ ñêðûòà ïîêà â ãëóáèíå âðåìåí — ýòî çàãàäêà èõ ïðîèñõîæäåíèÿ. Óíèêàëüíîé îñîáåííîñòüþ íàóêè î ãàëàêòèêàõ ÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü íåïîñðåäñòâåííîãî èçó÷åíèÿ îáúåêòîâ òàêèìè, êàêèìè îíè áûëè â äàëåêîì ïðîøëîì. Áëàãîäàðÿ êîíå÷íîñòè ñêîðîñòè ñâåòà èçëó÷åíèå, ðîæäåííîå â î÷åíü äàëåêèõ ãàëàêòèêàõ, èäåò ê íàì ìèëëèàðäû ëåò, ÷òî ïîçâîëÿåò, ñðàâíèâàÿ ñâîéñòâà îáúåêòîâ íà ðàçëè÷íûõ ðàññòîÿíèÿõ, èññëåäîâàòü èçìåíåíèÿ, êîòîðûå ïðîèçîøëè ñ ãàëàêòèêàìè çà ýòî âðåìÿ. Èçó÷åíèå ïðîèñõîäÿùèõ ýâîëþöèîííûõ èçìåíåíèé âî Âñåëåííîé — çàõâàòûâàþùàÿ çàäà÷à ñîâðåìåííîé íàóêè. Îòêðûòü òàéíó ïðîèñõîæäåíèÿ ãàëàêòèê ìå÷òàþò âñå àñòðîíîìû, ÷åì áû êîíêðåòíûì îíè íè çàíèìàëèñü: ñòðîèëè òåëåñêîïû, èçó÷àëè ïëàíåòû èëè çâåçäû. Ýòó ñåðèþ êíèã, îõâàòûâàþùóþ ìíîãèå îáëàñòè àñòðîíîìèè, íåâîçìîæíî áûëî áû ñîçäàòü íè â îäèíî÷êó, íè äàæå óñèëèÿìè êîëëåêòèâà àâòîðîâ (à èõ â ýòîé ñåðèè óæå îêîëî 30). Òîëüêî ïîñòîÿííûå êîíñóëüòàöèè ñ êîëëåãàìè ïîìîãàþò áûòü íà óðîâíå ïîñëåäíèõ èññëåäîâàíèé, óáåðå÷üñÿ îò îøèáîê è ïåðåãèáîâ. Àñòðîíîìû — ýòî ñâîåîáðàçíàÿ âñåìèðíàÿ äåðåâíÿ. Êàæäûé èç íàñ — ëè÷íî èëè «èíòåðíåòíî» — çíàêîì ñ áîëüøèíñòâîì ñâîèõ êîëëåã ïî âñåé Çåìëå: âåäü íà íàøåé ïëàíåòå âñåãî ëèøü íåñêîëüêî òûñÿ÷ àñòðîíîìîâ! Ðàáîòà è óñïåõ êàæäîãî èç íàñ çàâèñèò îò ðàáîòû êîëëåã. Ìû ÷àñòî êîíñóëüòèðóåìñÿ äðóã ñ äðóãîì è íèêîãäà íå îòêàçûâàåì â ïîìîùè íè ñâîèì êîëëåãàì, íè æóðíàëèñòàì, íè ëþáîçíàòåëüíûì ãðàæäàíàì. Âåäü òîëüêî ñîâìåñòíûìè óñèëèÿìè ìîæíî ïîíÿòü òàêóþ ãðàíäèîçíóþ âåùü, êàê Âñåëåííàÿ. Íóæíî ïðèçíàòü, íàøà ðàáîòà ðåäêî îáîðà÷èâàåòñÿ ïðÿìîé âûãîäîé äëÿ ÷åëîâå÷åñòâà.  ýòîì ñìûñëå îíà ñðîäíè ðàáîòå ìóçûêàíòà èëè õóäîæíèêà. Íî ïîíèìàíèå îêðóæàþùåãî íàñ ìèðà íå òîëüêî âîçâûøàåò äóøó, íî è äîáàâëÿåò íàì ñïîêîéñòâèÿ è óâåðåííîñòè, â êîíå÷íîì ñ÷åòå — îáåðåãàåò îò ïðåâðàòíîñòåé ïðèðîäû. Íåïðàâäà, ÷òî çíàíèÿ ïðåóìíîæàþò ïå÷àëè. Çíàíèÿ âñåëÿþò óâåðåííîñòü. Âû îáðàùàëè âíèìàíèå íà ëèöà àñòðîíîìîâ, êîììåíòèðóþùèõ ñîîáùåíèÿ æóðíàëèñòîâ î ãðÿäóùèõ êîñìè÷åñêèõ êàòàñòðîôàõ? Îáû÷íî íà ëèöå ó àñòðîíîìà ñìóùåííàÿ óëûáêà: îí ÿñíî ïîíèìàåò è áåñïî÷âåííîñòü ñèþìèíóòíûõ ñòðàõîâ, è íåèçáåæíîñòü ýâîëþöèè êàê ÷åðåäû ðîæäåíèé è óãàñàíèé, è ãðàíäèîçíûé ìàñøòàá êîñìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, äàëåêî âûõîäÿùèé çà ïðåäåëû íàøåé ôàíòàçèè. Ýòî
6
Ïðåäèñëîâèå
Çíàìåíèòûé ãîëëàíäñêèé àñòðîíîì ßí Îîðò (1900–1992) â Ëåéäåíñêîé îáñåðâàòîðèè. Ãëÿäÿ â òåëåñêîï, àñòðîíîì âèäèò ïðîøëîå Âñåëåííîé è ïûòàåòñÿ ïðåäñòàâèòü áóäóùåå íàøåãî ìèðà.
÷óâñòâî ñðîäíè ìóäðîìó ñïîêîéñòâèþ âçðîñëîãî ÷åëîâåêà, íàáëþäàþùåãî, êàê ðåáåíîê èñïóãàëñÿ ï÷åëû. Ñòîèò ëè áîÿòüñÿ ï÷åëû, îñîçíàâàÿ áðåííîñòü æèçíè… Àñòðîíîì âèäèò äàëåêî âãëóáü âðåìåí —
Ïðåäèñëîâèå
7
è â ïðîøëîå, è â áóäóùåå. Çíàíèå î ïðîøëîì âñåëÿåò óâåðåííîñòü â áåçîáëà÷íîñòè áëèæàéøèõ äíåé, à ïðåäâèäåíèå áóäóùåãî äåëàåò ìåëêèìè âñå òåêóùèå íåïðèÿòíîñòè. Âïðî÷åì, äîâîëüíî «ôèëîñîôñòâîâàòü». Ìû îòïðàâëÿåìñÿ íà ïðîñòîðû Ãàëàêòèêè, è ýòî ïîòðåáóåò îò íàñ èçðÿäíîãî íàïðÿæåíèÿ ôàíòàçèè: ïåðåõîä îò óæå ñòàâøèõ ïðèâû÷íûìè äëÿ íàñ ìàñøòàáîâ òåë Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ê ìàñøòàáàì ìåæçâåçäíûõ ðàññòîÿíèé — ñàìûé ãðàíäèîçíûé èç âñåõ ïðîñòðàíñòâåííûõ ñêà÷êîâ â ñîâðåìåííîì åñòåñòâîçíàíèè. Ðàçìåðû çâåçä (~109 ì) îòëè÷àþòñÿ îò ðàññòîÿíèé ìåæäó íèìè (~1017 ì) íà 8 ïîðÿäêîâ. Ãäå åùå â ìàòåðèàëüíîì ìèðå íàì ïðèõîäèòñÿ ìûñëåííî ñîâåðøàòü ñòîëü ìàñøòàáíûé ïåðåõîä? Ïîýòîìó äàâàéòå ïîïûòàåìñÿ âæèòüñÿ â ñâîåîáðàçíûé ìèð ãèãàíòñêèõ çâåçäíûõ ñèñòåì, âñå ÷àñòè êîòîðûõ ñ áåøåíîé ñêîðîñòüþ õàîòè÷åñêè äâèæóòñÿ â ïðîñòðàíñòâå, íî ïðè ýòîì ïðàêòè÷åñêè íèêîãäà íå ñòàëêèâàþòñÿ äðóã ñ äðóãîì.  ýòèõ ñèñòåìàõ äîìèíèðóåò îäíà ñèëà — ãðàâèòàöèÿ, íî ïðè ýòîì îíè äåìîíñòðèðóþò ñïîñîáíîñòü ê ñàìîîðãàíèçàöèè, ñîçäàâàÿ èçÿùíûå ñòðóêòóðû â çâåçäíûõ äèñêàõ. Ìåíåå ñòà ëåò íàçàä àñòðîíîìû óáåäèëèñü â ñóùåñòâîâàíèè ãàëàêòèê, à ñåãîäíÿ ìû çíàåì î íèõ ÷ðåçâû÷àéíî ìíîãî. Íî çíàòü è ïîíèìàòü — íå îäíî è òî æå. Ìû åùå î÷åíü ìíîãîãî íå ïîíèìàåì â æèçíè ãàëàêòèê, ïðè÷åì ýòî êàñàåòñÿ îòíþäü íå ÷àñòíûõ, à ïðèíöèïèàëüíûõ ìîìåíòîâ èõ ïðîèñõîæäåíèÿ è ýâîëþöèè. Ìèð ãàëàêòèê — ýòî îãðîìíàÿ íåèññëåäîâàííàÿ îáëàñòü, Êëîíäàéê äëÿ åñòåñòâîèñïûòàòåëåé, à íàøà êíèãà — ëèøü êàðòà, íàìå÷àþùàÿ ïóòü ê ýòèì ñîêðîâèùàì. Ê ñîæàëåíèþ, êàæäûé àâòîð âñëåä çà Íüþòîíîì ìîæåò ïîâòîðèòü åãî ñëîâà, ñêàçàííûå â ïèñüìå Êîòñó îò 11 îêòÿáðÿ 1709 ã.: «It’s impossible to print the book without some faults». Ïîýòîìó ìû íàäååìñÿ íà ïðèäèð÷èâîå âíèìàíèå ÷èòàòåëÿ. Ëþáûå çàìå÷àíèÿ è äîïîëíåíèÿ ïî ñîäåðæàíèþ êíèãè ñ áëàãîäàðíîñòüþ áóäóò ïðèíÿòû ïî àäðåñó surdin@sai.msu.ru. À èñïðàâëåíèÿ íåèçáåæíûõ îøèáîê è îïå÷àòîê âû íàéäåòå íà ñòðàíèöå http://lnfm1.sai.msu.ru/~surdin/ AAproof.htm.
1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ
Ãëàâà
ÇÂÅÇÄÛ, ÃÀËÀÊÒÈÊÈ, ÂÑÅËÅÍÍÀß Â. Ã. Ñóðäèí
1.1. Âñ¸ íå òàê Ñðåäè ìíîæåñòâà àñòðîíîìè÷åñêèõ òåðìèíîâ åñòü ñëîâà, ïî÷òè íå èçâåñòíûå øèðîêîé ïóáëèêå: àëüìóêàíòàðàò, ïèðãåëèîìåòð, ñèäåðîñòàò… Íî íåêîòîðûå àñòðîíîìè÷åñêèå ñëîâà ïðî÷íî âîøëè â ïîâñåäíåâíûé îáèõîä è ñòàëè îáûäåííûìè: çâåçäà, ãàëàêòèêà, âñåëåííàÿ… Ïîñòîÿííî ìû ñëûøèì î çâåçäàõ ýñòðàäû è ìèðîâîãî õîêêåÿ, ðåãóëÿðíî çàõîäèì â êèíîöåíòð «Ãàëàêòèêà» è íà ñàéò «Ãàëàêòèêà çíàêîìñòâ», à âñåëåííàÿ — ýòî â ïðåäåëàõ ãåîãðàôèè: «Âñþ-òî ÿ âñåëåííóþ ïðîåõàë, íèãäå ìèëîé íå íàøåë!» Îäíàêî òåì ñïåöèàëèñòàì, êòî âîñïðèíèìàåò ýòè ñëîâà áóêâàëüíî, ïðèõîäèòñÿ èçðÿäíî íàïðÿãàòü âîîáðàæåíèå, ÷òîáû îùóòèòü óäèâèòåëüíûå, äàëåêèå îò ïðèâû÷íûõ ñâîéñòâà ýòèõ îáúåêòîâ, èáî íàó÷íàÿ ðàáîòà íà÷èíàåòñÿ íå ñ íàïèñàíèÿ ôîðìóë, à ñ ìûñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ îáúåêòà èññëåäîâàíèÿ. Åñëè âû àñòðîíîì, òî âñå äîáûòûå âàìè ôàêòû î çâåçäå èëè ãàëàêòèêå äîëæíû ëå÷ü â ìîçàèêó òîãî èõ îáðàçà, êîòîðûé ïîñòîÿííî ñòîèò ïåðåä âàøèì ìûñëåííûì âçîðîì. Ïî ìåðå èçó÷åíèÿ îáúåêòà åãî îáðàç ñòàíîâèòñÿ âñ¸ áîëåå îñÿçàåìûì, è âîò âû óæå ìîæåòå äàòü ïðîãíîç, êàêèõ ýëåìåíòîâ íå õâàòàåò â âàøåé ìîçàèêå, ò. å. êàêèõ åùå ÿâëåíèé ìîæíî îæèäàòü îò èçó÷àåìîãî îáúåêòà. Êîãäà íàáëþäåíèÿ ïîäòâåðæäàþò ýòó äîãàäêó, âû îùóùàåòå íàèâûñøóþ ðàäîñòü îò íàó÷íîé ðàáîòû. È ïå÷àëüíî, åñëè ïðîãíîç íå îïðàâäûâàåòñÿ: çíà÷èò, èíòóèöèÿ âàñ ïîäâåëà, è ìûñëåííûé îáðàç îáúåêòà áûë íåâåðåí. Ó êàæäîãî ñïåöèàëèñòà â ãîëîâå ñâîè «ìîäåëè».  õîäå èññëåäîâàíèé ìû âæèâàåìñÿ â ïðåäìåò ñâîåãî èíòåðåñà, íåçàâèñèìî îò òîãî, ãàëàêòèêà ýòî èëè ìóðàâåé. Ìû íà÷èíàåì ÷óâñòâîâàòü äèàïàçîí åãî âîçìîæíîñòåé ðîâíî òàê æå, êàê âîäèòåëü ÷óâñòâóåò ñâîé àâòîìîáèëü, çàðàíåå çíàÿ, êàê òîò îòçîâåòñÿ íà ïîâîðîò ðóëÿ èëè íàæàòèå ïåäàëè. Íî èíòóèöèÿ — äî÷ü îïûòà, à îí âñåãäà îãðàíè÷åí. Æèâÿ íà Çåìëå, ìû ñ òðóäîì ïðåäñòàâëÿåì ñåáå êîñìîñ ñ åãî íåâåðîÿòíî øèðîêèì äèàïàçîíîì ôèçè÷åñêèõ óñëîâèé.
1.1. Âñ¸ íå òàê
9
Èç ñîáñòâåííîé ïðàêòèêè ïîìíþ òàêîé ñëó÷àé. Ãîòîâÿ îáçîð î ìåæçâåçäíîé ñðåäå, ÿ ñîñòàâèë òàáëèöó îáíàðóæåííûõ â êîñìîñå ìîëåêóë. ×òîáû îáëåã÷èòü àñòðîíîìàì âîñïðèÿòèå ñóõèõ õèìè÷åñêèõ ôîðìóë, ÿ ðåøèë óêàçàòü íàçâàíèÿ ñîîòâåòñòâóþùèõ âåùåñòâ: cîãëàñèòåñü, èíòåðåñíåå óçíàòü, ÷òî â êîñìè÷åñêèõ îáëàêàõ ïðèñóòcòâóåò íå ïðîñòî HCOOH, à ìóðàâüèíàÿ êèñëîòà, è íå ïðîñòî CH3CH2OH, à ýòèëîâûé (âèííûé) ñïèðò. Îäíàêî íàçâàíèÿ íåêîòîðûõ ìîëåêóë ÿ íå ñìîã îáíàðóæèòü â äîñòóïíûõ ìíå èñòî÷íèêàõ, à Èíòåðíåòà òîãäà åùå íå áûëî. Ïîýòîìó, ïåðåéäÿ ÷åðåç ñêâåð ñ ïàìÿòíèêîì Ëîìîíîñîâó, ÿ çàøåë íà õèìè÷åñêèé ôàêóëüòåò ÌÃÓ è, îòâîðèâ äâåðü áëèæàéøåé ëàáîðàòîðèè, ïîêàçàë ñâîé ñïèñîê êîñìè÷åñêèõ ìîëåêóë åå ñîòðóäíèêàì. Íåêîòîðûì èç áåçûìÿííûõ ìîëåêóë îíè ñðàçó æå äàëè íàçâàíèÿ. Íî, ïîñìîòðåâ íà îñòàâøèåñÿ (à ýòî áûëè C3N, C3H è ò. ï.), õèìèêè òîëüêî ïîêà÷àëè ãîëîâîé, ñî÷óâñòâåííî ïåðåãëÿíóëèñü (ìîë, ÷òî ñ íåãî âçÿòü — ôèçèê) è ñîîáùèëè, ÷òî òàêèõ ìîëåêóë â ïðèðîäå áûòü íå ìîæåò. Îêàçàëîñü, ÷òî ýòî ñâîáîäíûå ðàäèêàëû — ÷ðåçâû÷àéíî àêòèâíûå ÷àñòèöû, ìîìåíòàëüíî âñòóïàþùèå â ðåàêöèþ ñ ëþáûìè äðóãèìè. Òóò óæ ìíå ïðèøëîñü îáúÿñíèòü õèìèêàì, ÷òî äàæå â ïëîòíûõ îáëàêàõ êîñìè÷åñêîãî âåùåñòâà òàêàÿ ïóñòîòà, ÷òî àêòèâíàÿ ìîëåêóëà ìîæåò äîëãî — äåñÿòêè ëåò! — ëåòàòü â îäèíî÷åñòâå, ïîêà âñòðåòèò äðóãóþ. Çàèíòåðåñîâàâøèñü, õèìèêè ñàìè ïîïðîñèëè ïðèñûëàòü èì òàáëèöû êîñìè÷åñêèõ ìîëåêóë. Àñòðîíîìû íå ðàç óæå ëîìàëè ïðèâû÷íîå ïðåäñòàâëåíèå ó÷åíûõ î âîçìîæíîì è íåâîçìîæíîì. Äîñòàòî÷íî âñïîìíèòü «çàïðåùåííûå» ñïåêòðàëüíûå ëèíèè, êîòîðûå íå âèäíû â ëàáîðàòîðèè, íî ÿð÷å äðóãèõ ëèíèé ñâåòÿò â ñïåêòðàõ êîñìè÷åñêèõ òóìàííîñòåé. Èëè îòêðûòèå â êîñìîñå çàãàäî÷íûõ «õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ», êîòîðûå íå ïðèñóòñòâóþò íà Çåìëå: íåáóëèÿ, êîðîíèÿ, ìèñòåðèóìà… — âñå îíè îêàçàëèñü îáû÷íûìè ýëåìåíòàìè â íåîáû÷íûõ äëÿ çåìëÿí êîñìè÷åñêèõ óñëîâèÿõ, òèïè÷íûõ äëÿ ëþáîé ãàëàêòèêè. Êàê âèäèì, ïðè èçó÷åíèè êîñìè÷åñêèõ îáúåêòîâ íå íóæíî çàáûâàòü îá èõ ïàðàäîêñàëüíûõ ñâîéñòâàõ. Ïðèìåð êîñìè÷åñêîãî ïàðàäîêñà ïðåäåëüíî ëàêîíè÷íî ñôîðìóëèðîâàë ôðàíöóçñêèé ôèçèê è àñòðîíîì XIX â. Æàê Áàáèíå: «Êîìåòû — ýòî âèäèìîå íè÷òî».  ýòîé ôðàçå Áàáèíå ïðîÿâèë ñåáÿ è êàê àñòðîíîì («âèäèìîå»), è êàê ôèçèê («íè÷òî»), èáî âåùåñòâî â õâîñòå êîìåòû íàìíîãî ðàçðåæåííåå ëàáîðàòîðíîãî âàêóóìà. ×òî æå â òàêîì ñëó÷àå ìû ìîæåì ñêàçàòü î ãàëàêòèêàõ, ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü è ïîâåðõíîñòíàÿ ÿðêîñòü êîòîðûõ ñóùåñòâåííî ìåíüøå, ÷åì ó õâîñòîâ êîìåò? Ñêàæåì òàê: ãàëàêòèêè — ýòî ïî÷òè íåâèäèìîå íå÷òî. Îñîáûé ñìûñë ýòîìó îïðåäåëåíèþ ïðèäàåò òîò
10
Ãëàâà 1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ
ôàêò, ÷òî áî2ëüøàÿ ÷àñòü ìàññû â ãàëàêòèêàõ, ïîõîæå, äåéñòâèòåëüíî íåâèäèìà: ýòî òåìíîå âåùåñòâî, èëè òåìíàÿ ìàòåðèÿ, êàê ãîâîðÿò òåîðåòèêè. Èíòåíñèâíîå ðàçâèòèå àñòðîíîìèè çà ïîñëåäíèå ïîëâåêà ïðèâåëî ê îáíàðóæåíèþ íåñêîëüêèõ «òåìíûõ ñóùíîñòåé» — ÷åðíûõ äûð, òåìíîé ìàòåðèè, òåìíîé ýíåðãèè… Â ïîñëåäíåå âðåìÿ àñòðîíîìû âñå ÷àùå óïîòðåáëÿþò ïðèëàãàòåëüíîå dark êàê ñèíîíèì íåîáúÿñíèìîãî èëè ïîêà íå îáúÿñíåííîãî: íåäàâíî äëÿ îïèñàíèÿ êîëëåêòèâíîãî äâèæåíèÿ ñêîïëåíèé ãàëàêòèê ðîäèëñÿ òåðìèí «dark flow» (òåìíûé ïîòîê), à äëÿ òåîðåòè÷åñêîãî îïèñàíèÿ íåîæèäàííûõ ýôôåêòîâ ãðàâèòàöèè — òåðìèí «dark fluid» (òåìíàÿ ñðåäà). Ñêåïòèêè øóòÿò: «Àõ, êàê ýòî íàó÷íî: îáúÿñíÿòü íåïîíÿòíîå íåèçâåñòíûì! Ñêîðî â àñòðîíîìèè íå îñòàíåòñÿ áåëûõ ïÿòåí — îäíè ëèøü ò¸ìíûå».  îäíîì îíè ïðàâû: ìîæíî áûëî áû ïðîÿâèòü áîëüøóþ ôàíòàçèþ â íàçâàíèÿõ. Íî ÷òî êàñàåòñÿ ñàìèõ íåðåøåííûõ ïðîáëåì, òî èõ â àñòðîíîìèè íå áîëüøå, ÷åì â ëþáîé àêòèâíî ôóíêöèîíèðóþùåé íàóêå. È, áóäåì íàäåÿòüñÿ, èíòåðåñíûå çàäà÷è íèêîãäà íå èññÿêíóò. Èòàê, çíàêîìñòâî ñ ìèðîì ãàëàêòèê ìû íà÷èíàåì ñ îïèñàíèÿ ñîîòâåòñòâóþùèõ ìàñøòàáîâ ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè è ñ âûÿñíåíèÿ òîãî, ÷òî â ýòîì ìèðå äîñòóïíî íàøèì ÷óâñòâàì è ïðèáîðàì, à ÷òî — ïîêà íåò.
1.2. Ìàñøòàáû, êîòîðûå ìû ïîñòèãàåì Êîãäà ìû çàäóìûâàåìñÿ î ìèðå ãàëàêòèê, íàñ â ïåðâóþ î÷åðåäü ïîòðÿñàþò ðàçìåðû è ðàññòîÿíèÿ. Äî áëèæàéøåãî êîñìè÷åñêîãî òåëà ñâåò èäåò ñåêóíäû, äî áëèæàéøåé çâåçäû — ìèíóòû, íàøó ïëàíåòíóþ ñèñòåìó ëó÷ ñâåòà ïåðåñåêàåò çà ÷àñû, à äî ñàìûõ âíåøíèõ ãðàíèö Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû îí äîáåãàåò çà ïàðó ëåò. Ðàçóìååòñÿ, âñå ýòè ðàññòîÿíèÿ î÷åíü âåëèêè, íî íàø òðþê ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà ïîçâîëÿåò ïðåäñòàâèòü èõ â âèäå ðàçóìíûõ èíòåðâàëîâ âðåìåíè, ïðèâû÷íûõ â áûòó äëÿ ÷åëîâåêà. Îäíàêî ïîïûòàâøèñü èçìåðèòü «ñâåòîâîé ðóëåòêîé» Ãàëàêòèêó, ìû ñðàçó æå îêàçûâàåìñÿ çà ïðåäåëàìè ïðèâû÷íûõ ìàñøòàáîâ. Ëó÷ ñâåòà ïåðåñåêàåò íàøó çâåçäíóþ ñèñòåìó çà 100 000 ëåò, äîáèðàåòñÿ äî ñîñåäíåé êðóïíîé ãàëàêòèêè çà 2,5 ìëí ëåò, à îò íàèáîëåå óäàëåííûõ çâåçäíûõ ñèñòåì, ðàñïîëîæåííûõ íà ãðàíèöå íàáëþäàåìîé ÷àñòè Âñåëåííîé, ñâåò øåë ê Çåìëå ìíîãèå ìèëëèàðäû ëåò. Òàêîé èíòåðâàë âðåìåíè óæå òåðÿåò äëÿ íàñ âñÿêóþ íàãëÿäíîñòü. Òàê ÷òî äàæå ëó÷ ñâåòà ñ åãî ÷åìïèîíñêîé ñêîðîñòüþ íå ïîìîãàåò ïðåäñòàâèòü áåçóìíûå êîñìè÷åñêèå ðàññòîÿíèÿ.  ïîâñåäíåâíîé æèçíè ìû îïåðèðóåì ñðàâíèòåëüíî óçêèì äèàïàçîíîì ðàññòîÿíèé: îò ìèëëèìåòðà äî íåñêîëüêèõ òûñÿ÷ êèëîìåòðîâ —
1.2. Ìàñøòàáû, êîòîðûå ìû ïîñòèãàåì
11
Ðèñ. 1.1. Çà âíåøíèì ñõîäñòâîì îáúåêòîâ ïîðîé ñêðûâàåòñÿ êîëîññàëüíàÿ ðàçíèöà ìàñøòàáîâ è ôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ. Àòìîñôåðíûé öèêëîí (ñïðàâà) áîëüøå ìîðñêîãî âîäîâîðîòà â 100 òûñ. ðàç è ìåíüøå ãàëàêòèêè â 1000 òðëí ðàç.
ýòî äèàïàçîí âñåãî â 10 ïîðÿäêîâ âåëè÷èíû.  íàóêàõ î ïðèðîäå äèàïàçîí èçìåðèìûõ ðàññòîÿíèé ïðîñòèðàåòñÿ ñåãîäíÿ çíà÷èòåëüíî øèðå: îò 10–16 ñì äî 27 ìëðä ñâåòîâûõ ëåò, ò. å. íà 44 ïîðÿäêà! Íà îäíîì êîíöå ýòîãî äèàïàçîíà ðàáîòàåò àñòðîíîìèÿ, íà äðóãîì — ôèçèêà ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Òàáëèöà 1.1 äàåò ïðåäñòàâëåíèå î òîì, êàê ðàñøèðÿëñÿ çà ïîñëåäíèå ñòîëåòèÿ äèàïàçîí ðàçìåðîâ îáúåêòîâ è ÿâëåíèé, èçó÷àåìûõ íàóêîé. Çà ÷åòûðå âåêà îí âûðîñ â 1031 ðàç, ïðè÷åì 1014 ïðèõîäèòñÿ íà ôèçèêó è 1017 íà àñòðîíîìèþ. Îñîáåííî ñèëüíûé ðûâîê ïðîèçîøåë â XX â.: óìåÿ â íà÷àëå ïðîøåäøåãî ñòîëåòèÿ èçìåðÿòü ðàññòîÿíèÿ ëèøü äî áëèæàéøèõ çâåçä, àñòðîíîìû â êîíöå âåêà «äîòÿíóëèñü» ïî÷òè äî ãðàíèö Âñåëåííîé. Òàáëèöà 1.1 Ïðåäåëüíûå èçìåðåííûå ðàññòîÿíèÿ è èõ äèàïàçîí Íàóêà Àñòðîíîìèÿ Ôèçèêà Äèàïàçîí
äî XVII â. 1650 ã. 4 · 105 êì 10 à. å. 0,1 ìì 1 ìêì 13 10 1018
Èñòîðè÷åñêèé ïåðèîä 1840 ã. 1910 ã. 1960 ã. 1990 ã. 2010 ã. 1 ïê 1 Ìïê 100 Ìïê 3000 Ìïê 4000 Ìïê 10–8 ñì 10–12 ñì 10–13 ñì 10–15 ñì 10–16 ñì 1026 1036 1039 1043 1044
Âïðî÷åì, ñòðåìèòåëüíîå ïðîäâèæåíèå âïåðåä, âîçìîæíîñòü äîòÿíóòüñÿ «äî ñàìûõ äî îêðàèí», âîâñå íå îçíà÷àåò, ÷òî ïðèðîäà â ýòîì äèàïàçîíå óæå äåòàëüíî èçó÷åíà. Íå îáñóæäàÿ ôèçèêó ìèêðîìèðà, ñêàæó îá àñòðîíîìèè: ìû ðâàíóëè ê ãðàíèöàì Âñåëåííîé, îñòàâëÿÿ â òûëó íåðåøåííûå âîïðîñû. Òàêòèêà ëþáîãî íàñòóïëåíèÿ ãëàñèò: åñëè
12
Ãëàâà 1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ
àâàíãàðä óì÷àëñÿ âïåðåä, à îáîçû çà íèì íå óñïåâàþò, çíà÷èò, áóäóò ïðîáëåìû. Äî ñèõ ïîð èçìåðåíèå ðàññòîÿíèé îñòàåòñÿ âàæíåéøåé ïðîáëåìîé àñòðîíîìèè. Ìàëî «äîòÿíóòüñÿ äî êðàÿ Âñåëåííîé», íåîáõîäèìî åùå òî÷íî èçìåðèòü ðàññòîÿíèå äî ñàìûõ äàëåêèõ îáúåêòîâ: òîëüêî òàê ìû óçíàåì èõ èñòèííûå õàðàêòåðèñòèêè, ïîéìåì èõ ôèçè÷åñêóþ ïðèðîäó è âîññòàíîâèì õîä èõ ýâîëþöèè. Íóæíî ïðèçíàòü, ÷òî àñòðîíîìû âñåãäà íåäîîöåíèâàëè ðàçìåðû ìèðà, êîòîðûé îíè èçó÷àþò. Ñíà÷àëà ãðàíèöó ìèðà îíè ïðîâîäèëè ïî îðáèòàì âíåøíèõ ïëàíåò, çàòåì îòîäâèíóëè åå ê âèçóàëüíî íàáëþäàåìûì çâåçäàì, çàòåì ê çâåçäàì, âèäèìûì â òåëåñêîï.  êîíöå XVIII â. Âèëüÿì Ãåðøåëü ñ÷èòàë, ÷òî Ãàëàêòèêà îãðàíè÷åíà ñðàâíèòåëüíî íåáîëüøîé îêîëîñîëíå÷íîé îáëàñòüþ.  ñåðåäèíå XIX â. Èîãàíí ̸äëåð óêàçûâàë íà çâåçäíîå ñêîïëåíèå Ïëåÿäû êàê íà öåíòð Ãàëàêòèêè. Ñåãîäíÿ ýòî âûãëÿäèò íàèâíî, íî íå áóäåì çàáûâàòü, ÷òî Ãåðøåëü è ̸äëåð áûëè âåäóùèìè àñòðîíîìàìè ñâîåé ýïîõè. Òàê ÷òî âåñüìà âåðîÿòíî, ÷òî è íàøè ïðåäñòàâëåíèÿ î ïðîñòðàíñòâå Âñåëåííîé ëåò ÷åðåç ñòî ïîêàæóòñÿ ñòîëü æå íàèâíûìè. Ìàñøòàáû âðåìåíè â àñòðîíîìèè åùå áîëåå ñâîåîáðàçíû. Òðóäíî ïðåäñòàâèòü, ÷òî â èñòîðèè Âñåëåííîé áûëè ýïîõè, êîãäà âåñü ìèð äî íåóçíàâàåìîñòè èçìåíÿëñÿ çà áåçóìíî ìàëûå äîëè ñåêóíäû, à çàòåì îñòàâàëñÿ ïî÷òè íåèçìåííûì ìèëëèàðäû ëåò. Âîò êðàòêàÿ èñòîðèÿ Âñåëåííîé.
1.3. Ïðîøëîå è áóäóùåå íàøåãî ìèðà Ïðîøëîå Ýïîõà èíôëÿöèè (0–10–32 ñ).  ðåçóëüòàòå Áîëüøîãî âçðûâà ðîäèëàñü íàøà Âñåëåííàÿ. Ïðîèçîøëî åå ñòðåìèòåëüíîå ðàñøèðåíèå (èíôëÿöèÿ). Ýïîõà ðîæäåíèÿ ñèë (10–32–10–12 ñ). Èç ïåðâîíà÷àëüíî åäèíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñíà÷àëà âûäåëèëîñü ñèëüíîå ÿäåðíîå, à çàòåì ýëåêòðîñëàáîå ðàñïàëîñü íà ýëåêòðîìàãíèòíóþ è ñëàáóþ ÿäåðíóþ ñèëû. Ýïîõà ðîæäåíèÿ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö (10–12–1 ñ). Îíà îáúåäèíÿåò â ñåáå ýïîõó êâàðêîâ (10–12–10–6 ñ), êîãäà ïðîñòðàíñòâî áûëî çàïîëíåíî êâàðê-ãëþîííîé ïëàçìîé, è ýïîõó àäðîíîâ (10–6–1 ñ), êîãäà ðîæäàëèñü ïðîòîíû è íåéòðîíû, à òàêæå àíòèïðîòîíû è àíòèíåéòðîíû.  êîíöå ýòîé ýïîõè áîëüøàÿ èõ ÷àñòü àííèãèëèðîâàëà, à îñòàâøèåñÿ ïðîòîíû è íåéòðîíû (êîòîðûõ îêàçàëîñü ÷óòü áîëüøå, ÷åì àíòè÷àñòèö) âõîäÿò ñåé÷àñ â ÿäðà õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Òîãäà æå Âñåëåííàÿ ñòàëà ïðîçðà÷íîé äëÿ íåéòðèíî, êîòîðûå ñ òîãî ìîìåíòà ñâîáîäíî ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ â ïðîñòðàíñòâå; åñëè ìû íàó÷èìñÿ èõ ðåãè-
1.3. Ïðîøëîå è áóäóùåå íàøåãî ìèðà
13
ñòðèðîâàòü, òî óçíàåì, ÷òî áûëî âî Âñåëåííîé ÷åðåç 1 ñåêóíäó ïîñëå åå ðîæäåíèÿ. Ýïîõà ëåïòîíîâ (1–10 ñ).  ýòî âðåìÿ òåìïåðàòóðà åùå íàñòîëüêî âûñîêà, ÷òî àêòèâíî ðîæäàþòñÿ è àííèãèëèðóþò ëåïòîíû è àíòèëåïòîíû (â îñíîâíîì ýëåêòðîíû è ïîçèòðîíû). Èìåííî â íèõ â ýòî âðåìÿ çàêëþ÷åíà îñíîâíàÿ ìàññà Âñåëåííîé.  êîíöå ýòîé ýïîõè îñòàþòñÿ òîëüêî ýëåêòðîíû â íåáîëüøîì êîëè÷åñòâå. Äàëåå â òå÷åíèå ìíîãèõ òûñÿ÷åëåòèé ïî ïëîòíîñòè ýíåðãèè âî Âñåëåííîé äîìèíèðóåò èçëó÷åíèå — êâàíòû, ðîäèâøèåñÿ ïðè àííèãèëÿöèè ÷àñòèö è àíòè÷àñòèö. Ýïîõà íóêëåîñèíòåçà (3–20 ìèí). Ïðîèñõîäÿò òåðìîÿäåðíûå ðåàêöèè ñ ó÷àñòèåì ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ: îáðàçóþòñÿ ëåãêèå ýëåìåíòû — äåéòåðèé, ãåëèé, ëèòèé. Ñëîæèâøèéñÿ òîãäà õèìè÷åñêèé ñîñòàâ âåùåñòâà Âñåëåííîé (îêîëî 75% âîäîðîäà è 25% ãåëèÿ ïî ìàññå), ïî ñóòè, ñîõðàíèëñÿ äî íàøèõ äíåé; çâåçäíûé íóêëåîñèíòåç äîáàâèë ê íåìó ëèøü îêîëî 1% áîëåå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ. Ýïîõà îñòûâàíèÿ è çàðîæäåíèÿ ñòðóêòóðû (äî 108 ëåò). Ïî÷òè îäíîðîäíàÿ ïëàçìà, ïðîíèçàííàÿ èçëó÷åíèåì, ðàñøèðÿåòñÿ è îñòûâàåò. Ïðè ýòîì ïëîòíîñòü èçëó÷åíèÿ ïàäàåò áûñòðåå ïëîòíîñòè âåùåñòâà (àòîìíûõ ÿäåð), è ïðè âîçðàñòå Âñåëåííîé îêîëî 70 òûñ. ëåò îíè ñðàâíèâàþòñÿ. Ýðà äîìèíèðîâàíèÿ èçëó÷åíèÿ çàêàí÷èâàåòñÿ. Íî âåùåñòâî âñå åùå èîíèçîâàíî, îíî àêòèâíî âçàèìîäåéñòâóåò ñ ôîòîíàìè, äàâëåíèå êîòîðûõ äåëàåò âåùåñòâî óïðóãèì, «íå ïîääàþùèìñÿ» ãðàâèòàöèè. Îäíàêî âî Âñåëåííîé åñòü è äðóãîå, íåáàðèîííîå, âåùåñòâî, êîòîðîãî â íåñêîëüêî ðàç áîëüøå. Ýòî òàê íàçûâàåìîå òåìíîå âåùåñòâî, èëè òåìíàÿ ìàòåðèÿ. Ïðèðîäà åãî íåèçâåñòíà, íî ìû çíàåì, ÷òî ýòî âåùåñòâî íå âçàèìîäåéñòâóåò ñ èçëó÷åíèåì è ïîä÷èíÿåòñÿ òîëüêî ãðàâèòàöèè.  öåëîì îíî ðàñøèðÿåòñÿ òàê æå, êàê âñå îñòàëüíûå êîìïîíåíòû Âñåëåííîé, îäíàêî âîçíèêøèå â ïåðèîä èíôëÿöèè ìàëûå ôëóêòóàöèè ïëîòíîñòè ïîñòåïåííî óñèëèâàþòñÿ ïîä äåéñòâèåì ãðàâèòàöèè èìåííî â òåìíîì âåùåñòâå, íå îáëàäàþùåì óïðóãîñòüþ. Âñåëåííàÿ ñòàíîâèòñÿ âñå ìåíåå è ìåíåå îäíîðîäíîé: â íåé âîçíèêàþò îáëàñòè ñ áîëüøåé è ìåíüøåé ïëîòíîñòüþ òåìíîãî âåùåñòâà. Íî îáû÷íîå, áàðèîííîå, âåùåñòâî ïîêà ñîõðàíÿåò âûñîêóþ ñòåïåíü îäíîðîäíîñòè. Ýïîõà ðåêîìáèíàöèè (200–400 òûñ. ëåò). Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿåòñÿ, âåùåñòâî è èçëó÷åíèå îñòûâàþò. Íàêîíåö êîñìè÷åñêàÿ ïëàçìà îõëàæäàåòñÿ íàñòîëüêî, ÷òî ïðîèñõîäèò ðåêîìáèíàöèÿ: ýëåêòðîíû ñâÿçûâàþòñÿ ñ ÿäðàìè è îáðàçóþòñÿ íåéòðàëüíûå àòîìû. Ó îñíîâíîãî êîìïîíåíòà áàðèîííîãî âåùåñòâà — âîäîðîäà — ýòî ïðîèñõîäèò ïðè òåìïåðàòóðå îêîëî 4000 K, ó ãåëèÿ — íåìíîãî ðàíüøå. Êîãäà ñ ìîìåíòà
14
Ãëàâà 1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ
Áîëüøîãî âçðûâà ïðîõîäèò îêîëî 350 òûñ. ëåò (ýòî ñîîòâåòñòâóåò êðàñíîìó ñìåùåíèþ z » 1100), èîíèçîâàííîå âåùåñòâî ñòàíîâèòñÿ íåéòðàëüíûì, à Âñåëåííàÿ ñòàíîâèòñÿ ïðîçðà÷íîé äëÿ èçëó÷åíèÿ, êîòîðîå «îòäåëÿåòñÿ» îò âåùåñòâà. Ñåé÷àñ ìû ðåãèñòðèðóåì ýòî èçëó÷åíèå êàê «êîñìè÷åñêîå ìèêðîâîëíîâîå ôîíîâîå», êîðî÷å — ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå ñ òåìïåðàòóðîé T = 2,725 K. Èìåííî îíî äåìîíñòðèðóåò íàì ýïîõó ðåêîìáèíàöèè. ×ðåçâû÷àéíî ìàëûå ðàçëè÷èÿ â òåìïåðàòóðå ýòîãî èçëó÷åíèÿ, ïðèõîäÿùåãî ê Çåìëå ñ ðàçíûõ íàïðàâëåíèé (DT/T » 10–5), ãîâîðÿò î òîì, ÷òî è ôëóêòóàöèè ïëîòíîñòè áàðèîííîãî âåùåñòâà íàêàíóíå òîé ýïîõè áûëè ñòîëü æå ìàëû. Ýïîõà òüìû (1 ìëí — 150 ìëí ëåò). Îñòûâàÿ, áàðèîííîå âåùåñòâî ïåðåñòàåò èçëó÷àòü ñâåò è ïîñòåïåííî ñòàíîâèòñÿ íåâèäèìûì, ïîäîáíî òåìíîé ìàòåðèè. Äëÿ ãëàç ÷åëîâåêà Âñåëåííàÿ ïîãðóæàåòñÿ âî òüìó, íî èìåííî â ýòó ýïîõó îíà ïðèîáðåòàåò ñòðóêòóðó: íåéòðàëüíûé ãàç, ïîòåðÿâ óïðóãîñòü, êîòîðóþ ðàíåå åìó îáåñïå÷èâàëî èçëó÷åíèå, íà÷èíàåò ïîä÷èíÿòüñÿ ãðàâèòàöèè òåìíîé ìàòåðèè, êîòîðàÿ ê òîìó ìîìåíòó óæå äàëåêî íå òàê îäíîðîäíà.  íåé íåîäíîðîäíîñòü ïëîòíîñòè óæå óñèëèëàñü ïðèìåðíî äî 1%. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ íà÷èíàåò ðàñïàäàòüñÿ íà îòäåëüíûå âîëîêíà è îáëàêà, ê êîòîðûì ñòÿãèâàåòñÿ è áàðèîííîå âåùåñòâî. Ïîñòåïåííî áàðèîííîå âåùåñòâî ñòàíîâèòñÿ äàæå áîëåå íåîäíîðîäíûì, ÷åì òåìíàÿ ìàòåðèÿ. Ïðè÷èíà â òîì, ÷òî ïðè ãðàâèòàöèîííîì ñæàòèè ëþáîå âåùåñòâî íå òîëüêî óïëîòíÿåòñÿ, íî è íàãðåâàåòñÿ, îò÷åãî äàâëåíèå â íåì ðàñòåò, è ýòî ïðåïÿòñòâóåò ñæàòèþ. Îäíàêî îáû÷íîå âåùåñòâî, â îòëè÷èå îò òåìíîé ìàòåðèè, ìîæåò èñïóñêàòü ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå; ïðè ýòîì îíî îõëàæäàåòñÿ è ëåã÷å ïîääàåòñÿ ãðàâèòàöèîííîìó ñæàòèþ. À ó òåìíîé ìàòåðèè òàêîé âîçìîæíîñòè íåò. Ýïîõà ðåèîíèçàöèè (150 ìëí — 1 ìëðä ëåò). Òàê, â ïîëíîé òåìíîòå (õîòÿ èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå, êîíå÷íî, ïðèñóòñòâîâàëî, íî ìû áû åãî íå óâèäåëè), ôîðìèðóþòñÿ ïåðâûå, ñðàâíèòåëüíî íåáîëüøèå, ãàëàêòèêè, à â íèõ ðîæäàþòñÿ ïåðâûå, âåñüìà êðóïíûå, çâåçäû è, âîçìîæíî, êâàçàðû. Èõ ìîùíîå èçëó÷åíèå ðàçîãðåâàåò îêðóæàþùèé ãàç, è îí âíîâü ñòàíîâèòñÿ èîíèçîâàííûì. Ýòîò ïåðèîä â èñòîðèè Âñåëåííîé òàê è íàçûâàþò — ýïîõà ðåèîíèçàöèè, ò. å. ïîâòîðíîé èîíèçàöèè. Ñ òîé ïîðû è äî íàøèõ äíåé áàðèîííîå âåùåñòâî Âñåëåííîé â îñíîâíîì íàõîäèòñÿ â èîíèçîâàííîé ôîðìå. Ýòàïû ñïîêîéíîé ýâîëþöèè (1–14 ìëðä ëåò). 4 ìëðä ëåò — ìàêñèìàëüíàÿ èíòåíñèâíîñòü ôîðìèðîâàíèÿ çâåçä.  èõ íåäðàõ îáðàçóþòñÿ òÿæåëûå ýëåìåíòû. Ðîæäàþòñÿ ïåðâûå ïëàíåòíûå ñèñòåìû. Ôîðìèðóþòñÿ êðóïíûå ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê.
1.3. Ïðîøëîå è áóäóùåå íàøåãî ìèðà
15
Ðèñ. 1.2. Ïðîøëîå Âñåëåííîé. Ðèñóíîê: NASA/WMAP Science Team.
8 ìëðä ëåò — â ìàñøòàáàõ ñêîïëåíèé ãàëàêòèê âñåìèðíîå îòòàëêèâàíèå (òåìíàÿ ýíåðãèÿ) ïðåîäîëåâàåò ãðàâèòàöèþ — ïðîöåññ ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé íà÷èíàåò óñêîðÿòüñÿ. 9 ìëðä ëåò — îáðàçóåòñÿ Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà, íà Çåìëå çàðîæäàåòñÿ æèçíü. Íàñòîÿùåå Ñîâðåìåííàÿ ýïîõà (13,7 ìëðä ëåò). Ïðàêòè÷åñêè âñå ãàëàêòèêè è èõ ñêîïëåíèÿ óæå ñôîðìèðîâàëèñü. Êðóïíûå ãàëàêòèêè «ïîåäàþò» ìåëêèå.  íåêîòîðûõ ãàëàêòèêàõ åùå ïðîäîëæàþò ôîðìèðîâàòüñÿ çâåçäû, õîòÿ è íå òàê èíòåíñèâíî, êàê ðàíüøå. Áóäóùåå 5–20 ìëðä ëåò — Ñîëíöå áóäåò ñâåòèòü âñå ñèëüíåå, è æèçíü íà Çåìëå èñ÷åçíåò. Ñîëíöå ïðåâðàòèòñÿ â êðàñíûé ãèãàíò: ðàñøèðÿÿñü, îíî ïîãëîòèò Ìåðêóðèé è Âåíåðó, à Çåìëÿ â ýòî âðåìÿ ïîòåðÿåò àòìîñôåðó è âîäó. Ïîâåðõíîñòü Ñîëíöà ïðèáëèçèòñÿ ê îðáèòå Çåìëè, è íàøà ïëàíåòà ïîãðóçèòñÿ â ñîëíå÷íóþ ïëàçìó. Çàòåì Ñîëíöå ïðåâðàòèòñÿ â áåëûé êàðëèê: ñîæìåòñÿ äî ðàçìåðà ïëàíåòû è ïîñòåïåííî îñòûíåò. Ïðèìåðíî òîãäà æå Ãàëàêòèêà ñòîëêíåòñÿ ñ Òóìàííîñòüþ Àíäðîìåäû, íî íèêàêèõ êàòàñòðîôè÷åñêèõ ïîñëåäñòâèé ýòî íå âûçoâåò.
16
Ãëàâà 1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ
100 ìëðä — èç-çà óñêîðåííîãî ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé ãàëàêòèêè âíå Ìëå÷íîãî Ïóòè ñòàíóò äëÿ íàñ íåâèäèìûìè. 1 òðëí ëåò — âðåìÿ æèçíè çâåçä íà÷íåò ñîêðàùàòüñÿ èç-çà ðîñòà ñîäåðæàíèÿ â íèõ òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ. 10 òðëí ëåò — âçîðâåòñÿ ïîñëåäíÿÿ ìàññèâíàÿ ñâåðõíîâàÿ. 100 òðëí ëåò — ïîãàñíåò ïîñëåäíÿÿ çâåçäà. 1020 ëåò — Ãàëàêòèêà ðàçðóøèòñÿ, ïîñòåïåííî ïîòåðÿâ èç-çà äèññèïàöèè âñå ñâîè çâåçäû. 1034 ëåò — ðàñïàäóòñÿ ïðîòîíû. 10100 ëåò — èñïàðÿòñÿ ÷åðíûå äûðû ãàëàêòè÷åñêîãî ìàñøòàáà. Êòî-òî ñêàæåò, ÷òî òàêèå ïðîãíîçû äåëàòü ïðîñòî, ïîñêîëüêó èõ òðóäíî ïðîâåðèòü (è âñïîìíèò ïðè ýòîì èñòîðèþ ïðî Õîäæó Íàñðåääèíà, îñëà è øàõà). Íî ýòî íå ñîâñåì òàê. Ïðîãíîç áóäóùåãî Âñåëåííîé îòðàæàåò óðîâåíü ñîâðåìåííîé íàóêè. Òàêîé ïðîãíîç äåëàåòñÿ ñ ïîëíîé îòâåòñòâåííîñòüþ, íî áåç îñîáîé íàäåæäû, ÷òî îí îïðàâäàåòñÿ. Åñëè âñïîìíèòü, ÷òî 100 ëåò íàçàä ó÷åíûå åùå íå áûëè óâåðåíû â ñóùåñòâîâàíèè ìèðà çà ïðåäåëàìè íàøåé ãàëàêòèêè, òî ìîæíî ïðåäñòàâèòü, êàêóþ óëûáêó âûçîâóò íàøè íûíåøíèå ïðîãíîçû ëåò ÷åðåç ñòî. Òåì íå ìåíåå ñåãîäíÿ ìû ïðåäñòàâëÿåì ýâîëþöèþ Âñåëåííîé èìåííî òàê.
1.4. Íåáî, êîòîðîå ìû íàáëþäàåì Âåðíåìñÿ ê âîïðîñó î ïîëíîòå íàøèõ ïðåäñòàâëåíèé î Âñåëåííîé. Ãëÿäÿ íà íî÷íîé íåáîñâîä, ìû âèäèì íåêîòîðóþ îáëàñòü Âñåëåííîé, îêðóæàþùóþ Ñîëíå÷íóþ ñèñòåìó. Âåëèêà ëè ýòà îáëàñòü? Êàêèå îáúåêòû â åå ïðåäåëàõ äîñòóïíû íàøåìó çðåíèþ, à êàêèå — íåò? Ìíîãî ëè ýòèõ íåâèäèìûõ îáúåêòîâ è ìîæíî ëè èõ îáíàðóæèòü ñ ïîìîùüþ ñîâðåìåííûõ òåõíè÷åñêèõ ñðåäñòâ? Ýòî äàëåêî íå ïðàçäíûå âîïðîñû.  òå÷åíèå ÕÕ â. ãðàíèöà îáëàñòè Âñåëåííîé, îõâà÷åííîé àñòðîíîìè÷åñêèìè íàáëþäåíèÿìè, ïðîäâèíóëàñü îò áëèæàéøèõ îáúåêòîâ â ñîëíå÷íîé îêðåñòíîñòè íàøåé Ãàëàêòèêè (ìàñøòàá ðàññòîÿíèé ïîðÿäêà 1 ïê = 3,0857 · 1016 ì) äî ñâåðõñêîïëåíèé ãàëàêòèê è îáëàñòè (îíà æå ýïîõà) ðîæäåíèÿ ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ: ìàñøòàá ðàññòîÿíèé âîçðîñ äî 1 Ãïê = 3,0857 · 1025 ì, à ñîîòâåòñòâóþùèé ìàñøòàá âðåìåíè — äî 10 ìëðä ëåò. Òàêèì îáðàçîì, íàáëþäåíèÿìè îêàçàëàñü îõâà÷åíà ïðàêòè÷åñêè âñÿ ïðèíöèïèàëüíî äîñòóïíàÿ îáëàñòü Âñåëåííîé, ó÷èòûâàÿ åå êîñìîëîãè÷åñêèé âîçðàñò (îêîëî 14 ìëðä ëåò) è îãðàíè÷åííîñòü ñêîðîñòè ñâåòà. Ñòîëü ãðàíäèîçíîå äîñòèæåíèå íàáëþäàòåëüíîé àñòðîíîìèè âûçûâàåò îïðåäåëåííóþ ýéôîðèþ è ñîçäàåò âïå÷àòëåíèå ïî÷òè ïîëíîé èñ÷åð-
1.4. Íåáî, êîòîðîå ìû íàáëþäàåì
17
ïàííîñòè èçó÷àåìûõ îáúåêòîâ èëè óæ, âî âñÿêîì ñëó÷àå, îñíîâíûõ èõ òèïîâ. Ñåðüåçíûé óäàð ïî ýòîé òî÷êå çðåíèÿ íàíåñëî îòêðûòèå ýôôåêòà óñêîðåíèÿ ïðè ðàñøèðåíèè Âñåëåííîé, ïðè÷èíîé êîòîðîãî ïîëàãàþò àíòèãðàâèòàöèîííîå âëèÿíèå íåèçâåñòíîé ñðåäû, óñëîâíî íàçâàííîé òåìíîé ýíåðãèåé (×åðíèí, 2008). Ïî ñâîåìó âêëàäó â ñðåäíþþ ïëîòíîñòü ýíåðãèè/ìàññû Âñåëåííîé îíà ñîñòàâëÿåò îêîëî 73%. Åùå 22% ïðèõîäèòñÿ íà äîëþ òåìíîé ìàòåðèè, ïðîÿâëÿþùåé ñåáÿ òîëüêî ãðàâèòàöèîííûì âëèÿíèåì íà ìàñøòàáàõ îò 100 êïê äî 100 Ìïê è ïîêà íèêàê íå ñîîòíîñèìîé ñ èçâåñòíûìè òèïàìè âåùåñòâà. Îñòàâøèåñÿ 5% — ýòî ñóììàðíàÿ ïëîòíîñòü âñåõ íîðìàëüíûõ (áàðèîííûõ) òèïîâ âåùåñòâà, ò. å. âñÿ òàáëèöà Ìåíäåëååâà, âêëþ÷àÿ íå ñâÿçàííûå â àòîìàõ ÷àñòèöû òèïà íåéòðèíî. Íà äîëþ èçëó÷åíèÿ ïðèõîäèòñÿ ñîâñåì íåìíîãî — íåñêîëüêî ñîòûõ äîëåé ïðîöåíòà ïîëíîé ýíåðãèè Âñåëåííîé. Òàêèì îáðàçîì, 95% ñîäåðæèìîãî Âñåëåííîé îêàçàëèñü çàãàäî÷íûìè äàæå ïî ñâîåé ôèçè÷åñêîé ñóùíîñòè, íå ãîâîðÿ óæå î ôîðìå (ïîêà íå ÿñíî äàæå, â êàêèå îáúåêòû îôîðìëåíà òåìíàÿ ìàòåðèÿ, çíà÷èòåëüíî áîëåå ïîíÿòíàÿ ïî ñâîèì ôèçè÷åñêèì ñâîéñòâàì, ÷åì òåìíàÿ ýíåðãèÿ). Òîò ôàêò, ÷òî åùå íåäàâíî ìû íàñòîëüêî íåâåðíî ïðåäñòàâëÿëè ñåáå èñòèííûé ñîñòàâ Âñåëåííîé, çàñòàâëÿåò ïåðåñìàòðèâàòü è äðóãèå óñòîÿâøèåñÿ âçãëÿäû.  ÷àñòíîñòè, èìååò ñìûñë ïðîâåðèòü, íàñêîëüêî ïîëíî íàø íåâîîðóæåííûé ãëàç çàìå÷àåò íà íî÷íîì íåáå îáúåêòû áëèæíåãî êîñìîñà. Ìû îãðàíè÷èì ýòîò àíàëèç îáëàñòüþ çà ïðåäåëàìè Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû (R > 0,5 ïê), êîòîðóþ óñëîâíî íàçîâåì «îáëàñòüþ íåïîäâèæíûõ çâåçä».  íåå íå ïîïàäàþò ïîñòîÿííûå îáúåêòû Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû, ïîñêîëüêó òàì îíè íå ìîãóò óñòîé÷èâî äâèãàòüñÿ èç-çà ïðèëèâíîãî ãðàâèòàöèîííîãî âëèÿíèÿ ñî ñòîðîíû áëèæàéøèõ çâåçä, ãèãàíòñêèõ ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ è Ãàëàêòèêè â öåëîì (Ñóðäèí, 1986, 1990).  òî æå âðåìÿ â íàøó ýïîõó íå îáíàðóæèâàåòñÿ íè îäíîé çâåçäû íà ðàññòîÿíèè R < 1 ïê îò Ñîëíöà. Ðàçóìååòñÿ, âðåìÿ îò âðåìåíè çâåçäû ïðîíèêàþò â ýòó îáëàñòü, íî äëÿ òèïè÷íûõ çâåçä, äâèæóùèõñÿ ñ òèïè÷íîé äëÿ ñîëíå÷íîãî îêðóæåíèÿ ñêîðîñòüþ v = 30 êì/ñ, õàðàêòåðíîå âðåìÿ ïåðåìåùåíèÿ îòíîñèòåëüíî áëèæàéøèõ ñîñåäåé âåñüìà âåëèêî: t = 1 ïê / 30 êì/ñ = 33 000 ëåò. (Óäîáíî çàïîìíèòü, ÷òî ñî ñêîðîñòüþ 1 êì/ñ ðàññòîÿíèå â 1 ïê ïðåîäîëåâàåòñÿ çà 1 ìëí ëåò). Ýòîò ïðîìåæóòîê âðåìåíè çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàåò õàðàêòåðíîå âðåìÿ ýâîëþöèè íàøåé öèâèëèçàöèè (» 3000 ëåò). ×òî æå êàñàåòñÿ ÿðêèõ çâåçä, ëåãêî äîñòóïíûõ íåâîîðóæåííîìó ãëàçó, òî â îòíîøåíèè íèõ êàðòèíà çâåçäíîãî íåáà ìåíÿåòñÿ åùå ìåäëåí-
18
Ãëàâà 1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ
Ðèñ. 1.3. Ìëå÷íûé Ïóòü íàä Åâðîïåéñêîé Þæíîé îáñåðâàòîðèåé íà ãîðå Ñåððî-Ïàðàíàë (×èëè). Ôîòî: ESO/Jose Francisco Salgado
íåå — ñ õàðàêòåðíûì âðåìåíåì â ñîòíè òûñÿ÷ ëåò (Moore, 2000). Òàêèì îáðàçîì, áëèæíåé ãðàíèöåé îáëàñòè çâåçäíîé Âñåëåííîé, îõâà÷åííîé íàøèì âçîðîì â íî÷íîå âðåìÿ, ìîæíî ñ÷èòàòü ðàññòîÿíèå îêîëî 1 ïê. Îòíîñèòåëüíî äàëüíåé ãðàíèöû ýòîé îáëàñòè âîïðîñ ðåøàåòñÿ ñëîæíåå.  ïðèíöèïå ìû ìîãëè áû çàìå÷àòü íåâîîðóæåííûì ãëàçîì ðåäêèå è îñîáåííî ìîùíûå ÿâëåíèÿ äàæå íà êîñìîëîãè÷åñêèõ ðàññòîÿíèÿõ, íàïðèìåð îïòè÷åñêîå ïîñëåñâå÷åíèå ãàììà-âñïëåñêîâ, áëåñê êîòîðûõ â ìàêñèìóìå èíîãäà äîñòèãàåò 5–6m. Íî ýòà âîçìîæíîñòü ÷èñòî òåîðåòè÷åñêàÿ: äî ñèõ ïîð èõ òàê íèêòî è íå âèäåë, âî âñÿêîì ñëó÷àå íå ðåãèñòðèðîâàë. Íàèáîëåå äàëåêèé ðåàëüíî íàáëþäàåìûé îáúåêò — ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà Måññüå 31 (Ì31), îíà æå Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû, óäàëåííàÿ îò íàñ íà 780 êïê, îäíàêî è åå ÷åëîâåê áåç ñïåöèàëüíîãî îïûòà íàáëþäåíèé îáû÷íî íà íåáå íå çàìå÷àåò. Ãîâîðÿò, ÷òî íà þæíîì íåáå áåç îñîáîãî òðóäà âèäíî ñîñåäíþþ ãàëàêòèêó — Áîëüøîå Ìàãåëëàíîâî Îáëàêî (ðàññòîÿíèå îò Ñîëíöà îêîëî 50 êïê) è äàæå åå ñîñåäà — Ìàëîå Ìàãåëëàíîâî Îáëàêî (îêîëî 60 êïê), íî íàì, æèòåëÿì ñåâåðíûõ ñòðàí, ýòî íåäîñòóïíî. Âåðîÿòíî, ñàìûé äàëåêèé íåçâåçäíûé îáúåêò, êîòîðûé ìîãëî âèäåòü áîëüøèíñòâî ÷èòàòåëåé ýòîé êíèãè, — ýìèññèîííàÿ òóìàííîñòü M42, èëè Áîëüøàÿ òóìàí-
1.4. Íåáî, êîòîðîå ìû íàáëþäàåì
19
íîñòü Îðèîíà, óäàëåííàÿ íà 420 ïê, õîòÿ è åå âåñüìà íåëåãêî çàìåòèòü íà çèìíåì íåáå. À êàê æå ïîëîñà Ìëå÷íîãî Ïóòè, êîòîðóþ ëþáîé ìîæåò óâèäåòü â áåçëóííóþ íî÷ü, îêàçàâøèñü âäàëè îò ãîðîäñêèõ îãíåé? Âåäü ýòî æå âñÿ íàøà ãèãàíòñêàÿ çâåçäíàÿ ñèñòåìà — Ãàëàêòèêà. Îò÷àñòè ýòî òàê: â âèäå Ìëå÷íîãî Ïóòè ìû íàáëþäàåì ñîâîêóïíîå ñâå÷åíèå äàëåêèõ çâåçä è òóìàííîñòåé, ðàñïðåäåëåííûõ â äèñêå Ãàëàêòèêè, íå ðàçëè÷àÿ ïðè ýòîì îòäåëüíûõ îáúåêòîâ. Íî õàðàêòåðíîå ðàññòîÿíèå äî îáëàñòåé Ìëå÷íîãî Ïóòè, âèäèìûõ â îïòè÷åñêîì äèàïàçîíå, âñåãî îêîëî 2 êïê; íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ ñòàíîâèòñÿ ñóùåñòâåííûì ïîãëîùåíèå ñâåòà ìåæçâåçäíîé ïûëüþ, ñêðûâàþùåé îò íàñ äàëåêèå îáëàñòè Ãàëàêòèêè. Âïðî÷åì, è â ïðîíèöàåìîé äëÿ ñâåòà çîíå íàø ãëàç íå âèäèò èíäèâèäóàëüíûõ îáúåêòîâ, ïîýòîìó è åå ìû íå ìîæåì ñ÷èòàòü îáëàñòüþ, íàñåëåííîé íàáëþäàåìûìè îáúåêòàìè íî÷íîãî íåáà. Òàêèì îáðàçîì, íàì îñòàåòñÿ ïðîàíàëèçèðîâàòü ðàñïðåäåëåíèå â ïðîñòðàíñòâå çâåçä, äîñòóïíûõ íåâîîðóæåííîìó ãëàçó. Äëÿ àíàëèçà ðàñïðåäåëåíèÿ âèäèìûõ çâåçä ìû èñïîëüçîâàëè «Êàòàëîã ÿð÷àéøèõ çâåçä» (Ochsenbein, Halbwachs, 1987) â åãî ñåòåâîé âåðñèè 1999 ã., ñîäåðæàùåé äàííûå î ðàññòîÿíèÿõ, âû÷èñëåííûõ íà îñíîâå àñòðîìåòðè÷åñêèõ è ôîòîìåòðè÷åñêèõ èçìåðåíèé ñî ñïóòíèêà Hipparcos (ESA). Ýòîò êàòàëîã âêëþ÷àåò â ñåáÿ ïàðàìåòðû 1628 çâåçä ÿð÷å mlim = 5,01m è â íàñòîÿùåå âðåìÿ ñ÷èòàåòñÿ íàèáîëåå àâòîðèòåòíûì èñòî÷íèêîì. Ôàêòè÷åñêè îí ñîäåðæèò âñå çâåçäû, äîñòóïíûå íåâîîðóæåííîìó ãëàçó íà óðîâíå ìîðÿ ïðè ñðåäíèõ óñëîâèÿõ âèäèìîñòè. Çäåñü óìåñòíî íàïîìíèòü, ÷òî çâåçäíûå êàòàëîãè, ñîçäàííûå äî èçîáðåòåíèÿ òåëåñêîïà, ñîäåðæàò ìåíåå ïîëóòîðà òûñÿ÷ çâåçä. Íàïðèìåð, íå ïîêðûâàâøèé öåëèêîì þæíîå íåáî êàòàëîã Ãèïïàðõà (II â. äî í. ý.) ñîäåðæèò îêîëî 850 çâåçä. Ïòîëåìåé (II â. í. ý.), ïðîâîäèâøèé íàáëþäåíèÿ þæíåå Ãèïïàðõà, îïèñàë â êàòàëîãå «Àëüìàãåñòà» 1025 çâåçä, à ñîáðàâøèé äàííûå ïî âñåìó íåáó Èîãàíí Áàéåð (1603 ã.) èçîáðàçèë íà êàðòàõ «Óðàíîìåòðèè» îêîëî 1200 çâåçä. Çàìåòíîå ïðåâûøåíèå ýòîãî ÷èñëà â ñîâðåìåííîì «Êàòàëîãå ÿð÷àéøèõ çâåçä» (1628 îáúåêòîâ) â îïðåäåëåííîé ñòåïåíè ñâÿçàíî ñ ðàçäåëüíûì ó÷åòîì â íåì êîìïîíåíòîâ äâîéíûõ çâåçä, íåêîòîðûå èç êîòîðûõ ðàçäåëÿþòñÿ, à äðóãèå íå ðàçäåëÿþòñÿ íåâîîðóæåííûì ãëàçîì. Ó÷åò ïîñëåäíåãî îáñòîÿòåëüñòâà ñíèæàåò ÷èñëî èíäèâèäóàëüíî íàáëþäàåìûõ çâåçä ïðèìåðíî äî 1600. Ôàêòè÷åñêè èìåííî ýòî èõ êîëè÷åñòâî íóæíî ñ÷èòàòü äîñòóïíûì äëÿ íîðìàëüíîãî íåâîîðóæåííîãî ãëàçà ïðè òèïè÷íûõ óñëîâèÿõ âèäèìîñòè è ïðè íàáëþäåíèè ïðÿìûì çðåíèåì. Ðàçóìååòñÿ, äëÿ òî÷íîé îöåíêè ñëåäóåò ó÷èòûâàòü óñëîâèÿ
20
Ãëàâà 1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ 500 1628 ÿð÷àéøèõ çâåçä äî 5m
Êîëè÷åñòâî çâåçä
400
300
200 Âñå äàëåêèå çâåçäû
100
0 0
100
200 300 400 Ðàññòîÿíèå îò Ñîëíöà, ïê
500
600
Ðèñ. 1.4. Ðàñïðåäåëåíèå êîëè÷åñòâà âèäèìûõ íåâîîðóæåííûì ãëàçîì çâåçä ïî èõ ðàññòîÿíèþ îò Ñîëíöà.
íàáëþäåíèÿ (âûñîòà íàä óðîâíåì ìîðÿ, êà÷åñòâî çðåíèÿ) è ìåòîä íàáëþäåíèÿ (íàïðèìåð, èñïîëüçîâàíèå áîêîâîãî çðåíèÿ), íî äëÿ íàøèõ öåëåé âïîëíå äîñòàòî÷íî òîé òî÷íîñòè, êîòîðóþ äàåò ñòàòèñòèêà «Êàòàëîãà ÿð÷àéøèõ çâåçä». Ðàñïðåäåëåíèå îáúåêòîâ «Êàòàëîãà ÿð÷àéøèõ çâåçä» ïî èõ ðàññòîÿíèþ îò Ñîëíöà ïîêàçàíî íà ðèñ. 1.4.  äåéñòâèòåëüíîñòè «õâîñò» ýòîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ïðîñòèðàåòñÿ äî 3,8 êïê. ×òîáû èçîáðàçèòü äèàãðàììó êîìïàêòíî, ìû ñîáðàëè âñå çâåçäû, óäàëåííûå áîëåå ÷åì íà 500 ïê, â êðàéíþþ ïðàâóþ êîëîíêó äèàãðàììû. Êàê âèäèì, 90% âñåõ âèçóàëüíî íàáëþäàåìûõ çâåçä ðàñïîëàãàåòñÿ íå äàëåå R = 240 ïê îò Ñîëíöà.  òîì, ÷òî íàìåòèâøååñÿ â îáëàñòè ðàññòîÿíèè 100–200 ïê ðåçêîå ïàäåíèå ÷èñëà ÿðêèõ çâåçä ñìåíèëîñü äëèííûì ïëàòî, íåò íè÷åãî ñòðàííîãî: â íàøó ýïîõó Ñîëíöå ïðîõîäèò ÷åðåç îáëàñòü íåäàâíåãî çâåçäîîáðàçîâàíèÿ — òàê íàçûâàåìóþ Ìåñòíóþ ñèñòåìó, ÿð÷àéøèå çâåçäû êîòîðîé îáðàçóþò ïîÿñ Ãóëäà, íàêëîíåííûé íà 18° ê ãàëàêòè÷åñêîìó ýêâàòîðó. Îí èìååò ôîðìó âûòÿíóòîãî òîðà è ïðîñòèðàåòñÿ îò 200 äî 700 ïê îò Ñîëíöà (ñì. ãëàâû 4 è 5). ßð÷àéøèå O- è B-çâåçäû ïîÿñà Ãóëäà âèäíû âèçóàëüíî: íàïðèìåð, ýòî ìîëîäîé àãðåãàò Îðèîíà è àññîöèàöèÿ Ñêîðïèîíà—Êåíòàâðà. Åñëè áû íå ñëó÷àéíîå ïðîõîæäåíèå Ñîëíöà ÷åðåç Ìåñòíóþ ñèñòåìó â íàøó ýïîõó, òî ðàñïðåäåëåíèå âèçóàëüíûõ çâåçä ïðàêòè-
1.4. Íåáî, êîòîðîå ìû íàáëþäàåì
21
Ðèñ. 1.5. Ñîîòîøåíèå «âèäèìûé áëåñê — ðàññòîÿíèå» äëÿ âñåõ îáúåêòîâ «Êàòàëîãà ÿð÷àéøèõ çâåçä».  îáëàñòè îò 1670 äî 2450 ïê çâåçäû âûñîêîãî áëåñêà îòñóòñòâóþò. Ñåðûìè ïîëÿìè îòìå÷åíû îáëàñòè òèïè÷íûõ ãèãàíòîâ (àáñîëþòíàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà îò 0m äî –4m) è ñâåðõãèãàíòîâ (îò –5m äî –8m).
÷åñêè îáîðâàëîñü áû íà ðàññòîÿíèè 200–240 ïê.  áóäóùåì, êîãäà Ñîëíöå ïîêèíåò Ìåñòíóþ ñèñòåìó, «õâîñò» ðàñïðåäåëåíèÿ íà ðèñ. 1.4 çà ïðåäåëàìè 240 ïê çíà÷èòåëüíî îñëàáíåò èëè ñîâñåì èñ÷åçíåò. Ïîýòîìó ìû íàçîâåì «âèçóàëüíîé îáëàñòüþ Âñåëåííîé» (ÂÎÂ) ñôåðè÷åñêóþ îáëàñòü âîêðóã Ñîëíöà, èìåþùóþ ðàäèóñ RÂΠ= 240 ïê, è ïðîàíàëèçèðóåì åå ñîñòàâ. Íóæíî îòìåòèòü, ÷òî â âèçóàëüíîé îáëàñòè Âñåëåííîé (R < 240 ïê) ìåæçâåçäíîå ïîãëîùåíèå ñâåòà íåâåëèêî è íå ïðåïÿòñòâóåò èçìåðåíèþ áëåñêà, èñòèííîãî öâåòà, òåìïåðàòóðû è ëó÷åâîé ñêîðîñòè çâåçä. Íî òàêèå âàæíûå õàðàêòåðèñòèêè, êàê ñâåòèìîñòü çâåçäû, åå ïîëîæåíèå â ïðîñòðàíñòâå è ïîëíàÿ ïðîñòðàíñòâåííàÿ ñêîðîñòü, ìîãóò áûòü íàéäåíû òîëüêî â òîì ñëó÷àå, åñëè òî÷íî èçìåðåíî ðàññòîÿíèå äî çâåçäû. Áàçîâûì ìåòîäîì èçìåðåíèÿ ðàññòîÿíèé ñëóæèò ìåòîä òðèãîíîìåòðè÷åñêèõ ïàðàëëàêñîâ, êîòîðûé â ïîñëåäíèå ãîäû ðåàëèçóåòñÿ ïóòåì íàáëþäåíèé ñ êîñìè÷åñêèõ îáñåðâàòîðèé.  íàñòîÿùåå âðåìÿ (2012 ã.) íàèáîëåå òî÷íûå äàííûå ïîëó÷åíû àñòðîìåòðè÷åñêèì ñïóòíèêîì Hipparcos. Ñ îøèáêîé ìåíåå 10% èçìåðåíû ðàññòîÿíèÿ äî îòíî-
22
Ãëàâà 1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ
ñèòåëüíî ÿðêèõ çâåçä (äî 8,5m), ðàñïîëîæåííûõ íå äàëåå 60 ïê. Íà ðàññòîÿíèè 300 ïê îøèáêà ìîæåò äîñòèãàòü 50%. Äëÿ íàøèõ öåëåé ýòîé òî÷íîñòè äîñòàòî÷íî. Îöåíèì ïîëíîå ÷èñëî çâåçä â âèçóàëüíîé îáëàñòè Âñåëåííîé.  îêðåñòíîñòè Ñîëíöà ëîêàëüíàÿ ïëîòíîñòü ìàññû çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà ñîñòàâëÿåò ñ0 » 0,07 MA/ïê3, à ïëîòíîñòü ÷èñëà çâåçä n0 » 0,1 ïê–3 (Binney, Merrifield, 1998, ðàçä. 3.6.4). Íà ìàñøòàáå RÂΠèçìåíåíèå ïëîòíîñòè äèñêà ñóùåñòâåííî ëèøü â íàïðàâëåíèè âäîëü îñè âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè, ò. å. ïåðïåíäèêóëÿðíî ïëîñêîñòè äèñêà.  ìîäåëè ýêñïîíåíöèàëüíîãî äèñêà øêàëà âûñîò â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà ñîñòàâëÿåò z0 = 300 ïê (Binney, Merrifield, 1998, ðàçä. 10.4.3), ñëåäîâàòåëüíî, ìû íå äîïóñòèì çíà÷èòåëüíîé îøèáêè, ñ÷èòàÿ ïëîòíîñòü çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ â âèçóàëüíîé îáëàñòè Âñåëåííîé îäíîðîäíîé, ò. å. íåèçìåííîé â ïðîñòðàíñòâå. Òîãäà ïîëíîå ÷èñëî çâåçä â ýòîé îáëàñòè ñîñòàâëÿåò îêîëî (4ð/3)R 3n0 » 5 · 106. Òàêèì îáðàçîì, èç 5 ìèëëèîíîâ çâåçä, íàñåëÿþùèõ âèçóàëüíóþ îáëàñòü Âñåëåííîé, ìû âèäèì íà íåáå ëèøü îêîëî 1500. Ïî÷åìó æå íå âèäíû îñòàëüíûå çâåçäû? Ïîòîìó ÷òî èõ áëåñê ñëèøêîì ñëàá. Àáñîëþòíàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà Ñîëíöà ñîñòàâëÿåò MV = 4,8m, òî åñòü âèçóàëüíûé áëåñê òàêîé çâåçäû íà ðàññòîÿíèè âñåãî 10 ïê îò íàñ ñîñòàâëÿåò 4,8m. À íà ðàññòîÿíèè 15 ïê òàêàÿ çâåçäà äàæå ïðè îòñóòñòâèè ìåæçâåçäíîãî ïîãëîùåíèÿ ñâåòà óæå íå âèäíà. Âñïîìíèì, ÷òî àáñîëþòíîå áîëüøèíñòâî çâåçä â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà — ýòî êðàñíûå êàðëèêè, íàñåëÿþùèå íèæíþþ ÷àñòü ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè è èìåþùèå ñâåòèìîñòü ñóùåñòâåííî ìåíüøå ñîëíå÷íîé. Äàæå áëèæàéøèå èç íèõ íàì íå âèäíû. Íàïðèìåð, ñðåäè 40 áëèæàéøèõ çâåçä, çàïîëíÿþùèõ îáëàñòü ðàäèóñîì 4,1 ïê âîêðóã Ñîëíöà (áåç ó÷åòà ñàìîãî Ñîëíöà, à òàêæå áåëûõ êàðëèêîâ è êîðè÷íåâûõ êàðëèêîâ), âèçóàëüíî çàìåòíû òîëüêî 8 çâåçä (Çâåçäû, 2008, ñ. 408). Ñ óâåëè÷åíèåì ðàäèóñà îõâà÷åííîé îáëàñòè äîëÿ çàìåòíûõ â íåé äëÿ íåâîîðóæåííîãî ãëàçà çâåçä áûñòðî ñíèæàåòñÿ. Êàê âèäíî èç ðèñ. 1.5, íà ðàññòîÿíèÿõ áîëåå 100 ïê çàìåòíûìè îñòàþòñÿ â îñíîâíîì ãèãàíòû, à íà ðàññòîÿíèÿõ ñâûøå 800 ïê — òîëüêî ñâåðõãèãàíòû, íàïðèìåð Äåíåá â Ëåáåäå. Íó à òàêèå âåñüìà ìíîãî÷èñëåííûå ïðåäñòàâèòåëè íàñåëåíèÿ Ãàëàêòèêè, êàê áåëûå êàðëèêè, âîîáùå îñòàþòñÿ íåçàìåòíûìè äëÿ âèçóàëüíîãî íàáëþäàòåëÿ. Êàêèå åùå îáúåêòû ìîãóò îñòàòüñÿ íåçàìå÷åííûìè â âèçóàëüíîé îáëàñòè Âñåëåííîé? Ðàçóìååòñÿ, íåñâåòÿùèåñÿ: îñòûâøèå îñòàòêè ýâîëþöèè çâåçä — áåëûå êàðëèêè, íåéòðîííûå çâåçäû è ÷åðíûå äû-
1.4. Íåáî, êîòîðîå ìû íàáëþäàåì
23
ðû, à òàêæå îáúåêòû, ïî ñâîåé ìàññå íå äîñòèãøèå ñòàòóñà çâåçäû, — êîðè÷íåâûå êàðëèêè è ïëàíåòû. Ïîäñ÷åòû áåëûõ êàðëèêîâ — êàê ãîëóáûõ, ìîëîäûõ, òàê è îñòûâàþùèõ, «÷åðíûõ» — ïîêàçûâàþò (Âåéäåìàí, 1975), ÷òî ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü èõ ÷èñëà â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà ñîñòàâëÿåò (0,02–0,07) ïê–3, à ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü èõ ìàññû — îêîëî 0,015 ÌA/ïê3 (ãäå MA = 2 · 1030 êã, ìàññà Ñîëíöà). Ýòî âïîëíå ñîãëàñóåòñÿ ñ îöåíêîé îæèäàåìîãî ÷èñëà áåëûõ êàðëèêîâ, îïèðàþùåéñÿ íà òåîðèþ ýâîëþöèè çâåçä. Ïîýòîìó ìîæíî ïðèíÿòü, ÷òî ïîëíàÿ ÷èñëåííîñòü áåëûõ êàðëèêîâ âñåõ âîçðàñòîâ ñîñòàâëÿåò ïðèáëèçèòåëüíî 30% îò ÷èñëà çâåçä ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè (Binney, Merrifield, 1998, ðàçä. 3.6.4).  âèçóàëüíîé îáëàñòè Âñåëåííîé ýòî äàåò íàì ïîëíîå ÷èñëî áåëûõ êàð3 · 0,03 ïê–3 » 1,7 · 106. Íî áåç òåëåñêîïà íå âèäåí ëèêîâ îêîëî (4p/3)R ÂΠíè îäèí èç íèõ! Äàæå ñàìûé ÿðêèé áåëûé êàðëèê — çíàìåíèòûé Ñèðèóñ B — èìååò áëåñê 8,4m.  íåäðàõ áåëûõ êàðëèêîâ áåçâîçâðàòíî ïîãðåáåíî ïðîýâîëþöèîíèðîâàâøåå â òåðìîÿäåðíûõ ðåàêöèÿõ âåùåñòâî — ãåëèé â ìàëîìàññèâíûõ êàðëèêàõ (îñòàòêàõ çâåçä ñ èñõîäíîé ìàññîé M < 0,5 MA), óãëåðîä è êèñëîðîä â êàðëèêàõ ñðåäíåé ìàññû (0,5 MA < M < 8 MA), êèñëîðîä, íåîí, ìàãíèé — â ñàìûõ ìàññèâíûõ èç íèõ (M » 8–10 MA). Ðàçóìååòñÿ, ìû ïîìíèì, ÷òî ñîáñòâåííàÿ ìàññà áåëîãî êàðëèêà íå ìîæåò ïðåâûøàòü ïðåäåëà ×àíäðàñåêàðà, ðàâíîãî 1,4 MA (Áàòóðèí è äð., 2007). Ïðè áîëüøåé ìàññå çâåçäíîãî îñòàòêà îí ñòàíîâèòñÿ íåéòðîííîé çâåçäîé (1,4–3 MA) èëè ÷åðíîé äûðîé (> 3 MA). Ñòîèò ëè ãîâîðèòü, ÷òî ýòè ýêçîòè÷åñêèå îáúåêòû — íåéòðîííûå çâåçäû è ÷åðíûå äûðû — ñîâåðøåííî íåäîñòóïíû íàøåìó âçîðó. Äàæå â ðåäêèå ìîìåíòû èõ ðîæäåíèÿ, çíàìåíóåìûå âñïûøêàìè ñâåðõíîâûõ, ìû âèäèì íå ñàì ñâåðõïëîòíûé îñòàòîê ìàññèâíîé çâåçäû, à åå ãîðÿ÷óþ ðàñøèðÿþùóþñÿ îáîëî÷êó. ×òî êàñàåòñÿ ìåíåå ýêçîòè÷åñêèõ îáúåêòîâ, òî íåêîòîðûå èõ òèïû òîæå îñòàþòñÿ íåâèäèìûìè äëÿ çðåíèÿ ÷åëîâåêà. Íàïðèìåð, êîðè÷íåâûå êàðëèêè — îáúåêòû, ïðîìåæóòî÷íûå ïî ìàññå ìåæäó íîðìàëüíûìè çâåçäàìè, â íåäðàõ êîòîðûõ ïðîèñõîäÿò òåðìîÿäåðíûå ðåàêöèè ñ ó÷àñòèåì âîäîðîäà 1H, è ïëàíåòàìè, âîîáùå íå ñïîñîáíûìè ê òåðìîÿäåðíûì ðåàêöèÿì. Îöåíêè êîëè÷åñòâà êîðè÷íåâûõ êàðëèêîâ ïîêàçûâàþò, ÷òî èõ ÷èñëî ñîïîñòàâèìî ñ ÷èñëîì íîðìàëüíûõ çâåçä. Îäíàêî ýòè îáúåêòû îñòàþòñÿ ñêðûòûìè íå òîëüêî äëÿ íàøèõ ãëàç, íî äëÿ áîëüøèíñòâà òåëåñêîïîâ. Íàèìåíåå çàìåòíûìè èç îïòè÷åñêèõ îáúåêòîâ ÿâëÿþòñÿ ýêçîïëàíåòû. Ñåé÷àñ (2012 ã.) êîëè÷åñòâî íàäåæíî îáíàðóæåííûõ ýêçîïëàíåò
24
Ãëàâà 1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ
ïðèáëèçèëîñü ê 850. Àáñîëþòíîå áîëüøèíñòâî èç íèõ íåïîñðåäñòâåííî íå íàáëþäàëîñü, à ïðèñóòñòâèå èõ ðÿäîì ñî çâåçäîé áûëî çàðåãèñòðèðîâàíî â îñíîâíîì ïî ïåðèîäè÷åñêîìó äîïëåðîâñêîìó ïîêà÷èâàíèþ ëèíèé â ñïåêòðå çâåçäû ëèáî ïî åå ïåðèîäè÷åñêèì ïîêðûòèÿì ýêçîïëàíåòîé. Ïðÿìûìè íàáëþäåíèÿìè ñîáñòâåííîãî èçëó÷åíèÿ ýêçîïëàíåò áûëî ïîäòâåðæäåíî ñóùåñòâîâàíèå òîëüêî òðåõ äåñÿòêîâ èç íèõ, îäíàêî íèêòî íå ñîìíåâàåòñÿ, ÷òî âñå 850 ýêçîïëàíåò ðåàëüíî ñóùåñòâóþò. Ìîæíî ñ óâåðåííîñòüþ ñêàçàòü, ÷òî íåâîîðóæåííûì ãëàçîì ìû íèêîãäà íå óâèäèì íè îäíó èç íèõ. Ïî-âèäèìîìó, â íåìàëîì êîëè÷åñòâå ñóùåñòâóþò è ñâîáîäíûå ïëàíåòû, íå ñâÿçàííûå ñ êîíêðåòíûìè çâåçäàìè, íå âõîäÿùèå â îêîëîçâåçäíûå ïëàíåòíûå ñèñòåìû òèïà Ñîëíå÷íîé. Íî äàæå îöåíèòü èõ êîëè÷åñòâî ïîêà íåâîçìîæío. Êàêèå åùå îáúåêòû îñòàþòñÿ íåçàìåòíûìè â âèçóàëüíîé îáëàñòè Âñåëåííîé? Ìû ðàññìîòðåëè âñå íåáåñíûå òåëà — çâåçäû, çâåçäíûå îñòàòêè, ïëàíåòû, äîñòóïíûå òåëåñêîïó è òåîðåòè÷åñêè ïîäîçðåâàåìûå. Ïðè ýòîì ìû âûÿñíèëè, ÷òî èç ìèëëèîíîâ îáúåêòîâ, íàñåëÿþùèõ ýòó îáëàñòü, íàøå çðåíèå ðåãèñòðèðóåò ëèøü îêîëî 1500. Îñòàëüíûå ñòàëè ïîñòåïåííî âûÿâëÿòüñÿ ëèøü â ýïîõó òåëåñêîïè÷åñêèõ íàáëþäåíèé, òî åñòü â òå÷åíèå ïîñëåäíèõ 400 ëåò. Ïðè ýòîì íåêîòîðûå òèïû áëèçêèõ íåâèäèìûõ îáúåêòîâ áûëè îáíàðóæåíû ëèøü â ñàìîå ïîñëåäíåå âðåìÿ. Ó÷èòûâàÿ èñòîðèþ ðàçâèòèÿ àñòðîíîìè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé, ìîæíî íå ñîìíåâàòüñÿ, ÷òî íàì åùå ïðåäñòîèò îòêðûòü áóêâàëüíî «ó ñåáÿ ïîä íîñîì» íîâûå óäèâèòåëüíûå òèïû êîñìè÷åñêèõ òåë, î ñóùåñòâîâàíèè êîòîðûõ ìû ñåé÷àñ è íå äîãàäûâàåìñÿ.
1.5. Òåëåñêîïû è ãàëàêòèêè Äîëãîå âðåìÿ àñòðîíîìû ïî÷òè íå çàìå÷àëè ãàëàêòèê. Íåëüçÿ æå ïðèíèìàòü â ðàñ÷åò Ìàãåëëàíîâû Îáëàêà, ñ÷èòàâøèåñÿ «îáðûâêàìè» Ìëå÷íîãî Ïóòè, è Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû, êîòîðóþ íà òåìíîì íåáå áëèæíåâîñòî÷íûõ ïóñòûíü çàìåòèëè àðàáñêèå àñòðîíîìû è ñðàâíèëè ñ îãîíüêîì ñâå÷è, ïðîñâå÷èâàþùèì ñêâîçü ðîãîâóþ ïëàñòèíêó. Îòêðûòèå ãàëàêòè÷åñêèõ è âíåãàëàêòè÷åñêèõ òóìàííîñòåé êàê îòäåëüíûõ îáúåêòîâ ñâÿçàíî ñ èçîáðåòåíèåì òåëåñêîïà, à èõ äàëüíåéøåå èññëåäîâàíèå — ñ åãî óñîâåðøåíñòâîâàíèåì. Çäåñü ÿ äîëæåí îñòàíîâèòüñÿ, ÷òîáû ñäåëàòü çàìå÷àíèå î òåðìèíàõ.  ðóññêîé àñòðîíîìè÷åñêîé òåðìèíîëîãèè «ãàëàêòè÷åñêèé» è «âíåãàëàêòè÷åñêèé» èìåþò îòíîøåíèå òîëüêî ê íàøåé ãàëàêòèêå Ìëå÷íûé Ïóòü. Ãàëàêòè÷åñêèå òóìàííîñòè — ýòî ñâåòëûå èëè òåìíûå îáëàêà ãàçà, íàõîäÿùèåñÿ âíóòðè Ãàëàêòèêè ñðàâíèòåëüíî íåäàëåêî
1.5. Òåëåñêîïû è ãàëàêòèêè
25
îò Ñîëíöà è íàáëþäàåìûå â áîëüøèíñòâå ñâîåì â ïîëîñå Ìëå÷íîãî Ïóòè. Âíåãàëàêòè÷åñêèå òóìàííîñòè — ýòî óñòàðåâàþùåå íàçâàíèå äëÿ äàëåêèõ çâåçäíûõ ñèñòåì, ò. å. èíûõ ãàëàêòèê, íàáëþäàåìûõ âíå ïîëîñû Ìëå÷íîãî Ïóòè, ïîñêîëüêó âíóòðè íåå âåëèêî ìåæçâåçäíîå ïîãëîùåíèå ñâåòà. ×òîáû íå âîçíèêàëî ïóòàíèöû, ñëîâî «ãàëàêòè÷åñêèé» íå óïîòðåáëÿþò â îòíîøåíèè èíûõ çâåçäíûõ ñèñòåì. Íàïðèìåð, ãîâîðÿò «ÿäðà ãàëàêòèê», à íå «ãàëàêòè÷åñêèå ÿäðà», «ñïèðàëüíûå ðóêàâà ãàëàêòèê», à íå «ãàëàêòè÷åñêèå ñïèðàëüíûå ðóêàâà».  àíãëèéñêîì ÿçûêå ñêîïëåíèå ãàëàêòèê îïðåäåëÿåòñÿ òåðìèíîì «galactic cluster». Îòå÷åñòâåííûå àñòðîíîìû îáðàùàþòñÿ ñ óáåäèòåëüíîé ïðîñüáîé ê æóðíàëèñòàì è ôèçèêàì: íå ïåðåâîäèòü ýòîò òåðìèí íà ðóññêèé ÿçûê êàê «ãàëàêòè÷åñêîå ñêîïëåíèå» èëè òîãî õóæå — «ãàëàêòè÷åñêèé êëàñòåð». Äåëî â òîì, ÷òî «ãàëàêòè÷åñêîå ñêîïëåíèå» — ýòî óñòàðåâàþùåå íàçâàíèå äëÿ ðàññåÿííûõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé â äèñêå íàøåé ãàëàêòèêè. Åãî óæå ïî÷òè íå óïîòðåáëÿþò, íî â ñòàðûõ êíèãàõ îíî åñòü, ïîýòîìó íå íóæíî ïðèäàâàòü åìó èíîãî ñìûñëà. ×òî æå êàñàåòñÿ «ãàëàêòè÷åñêèõ êëàñòåðîâ», òî òàêîãî òåðìèíà â îòå÷åñòâåííîé àñòðîíîìèè âîîáùå íå ñóùåñòâóåò, è íå ñòîèò ââîäèòü åãî, ÷òîáû íå çàñîðÿòü ÿçûê. Galactic cluster — ýòî ñêîïëåíèå ãàëàêòèê. Òàê ãîâîðÿò àñòðîíîìû è õîòÿò, ÷òîáû òàê æå ãîâîðèëè ñïåöèàëèñòû èíûõ ïðîôåññèé, èíòåðåñóþùèåñÿ àñòðîíîìèåé. Òîãäà ìû áóäåì ëó÷øå ïîíèìàòü äðóã äðóãà. Èòàê, èñòèííîå îòêðûòèå ãàëàêòè÷åñêèõ è âíåãàëàêòè÷åñêèõ òóìàííîñòåé ñîñòîÿëîñü áëàãîäàðÿ òåëåñêîïó. À ïî÷åìó? Âåäü òóìàííîñòè, â îòëè÷èå îò çâåçä, ïðîòÿæåííûå îáúåêòû, à òåëåñêîï, êàê èçâåñòíî, íå óâåëè÷èâàåò ïîâåðõíîñòíóþ ÿðêîñòü ïðîòÿæåííûõ îáúåêòîâ. Äà, ýòî äåéñòâèòåëüíî òàê. Íî òåëåñêîï óâåëè÷èâàåò óãëîâîé ðàçìåð îáúåêòîâ, à ýòî, â ñîâîêóïíîñòè ñ îñîáåííîñòÿìè çðåíèÿ ÷åëîâåêà, ïîçâîëÿåò çàìå÷àòü îáúåêòû íèçêîé ÿðêîñòè. Óâåëè÷åííîå òåëåñêîïîì èçîáðàæåíèå îáúåêòà âûõîäèò çà ãðàíèöû öåíòðàëüíîé ÿìêè ñåò÷àòêè ãëàçà, äàþùåé ÷åòêóþ êàðòèíêó, íî îáëàäàþùåé íèçêîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ ê ñâåòó, è ïîïàäàåò íà áîëåå ÷óâñòâèòåëüíóþ ïåðèôåðèþ ñåò÷àòêè. Ýòî ìîæíî íàçâàòü «ýôôåêòîì ìîðñêîãî áèíîêëÿ», êîòîðûé òîæå ïîçâîëÿåò ðàçëè÷àòü â ñóìåðêàõ ñëàáîîñâåùåííûå ïðåäìåòû. Åùå áîëüøóþ âûãîäó äàåò òåëåñêîï ïðè äëèòåëüíûõ ýêñïîçèöèÿõ, êîãäà âìåñòî ãëàçà èñïîëüçóåòñÿ ôîòîïëàñòèíêà èëè ýëåêòðîííûé ïðèåìíèê ñâåòà (Êóèìîâ, Ñóðäèí, 2008). Ïóòåì íàêîïëåíèÿ ñèãíàëà ìîæíî çíà÷èòåëüíî óñèëèòü ÿðêîñòü ïîëó÷åííîãî èçîáðàæåíèÿ, ÷òî ïîçâîëÿåò âûäåëÿòü íà ôîíå íåáà äàæå ñëàáî ñâåòÿùèåñÿ òóìàííîñòè.
26
Ãëàâà 1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ
Ôîí íåáà? À ðàçâå íî÷íîå íåáî â ïðîìåæóòêàõ ìåæäó êîñìè÷åñêèìè îáúåêòàìè ñâåòèòñÿ? Ñâåòèòñÿ, äà åùå êàê! Íà õîðîøèõ îáñåðâàòîðèÿõ, âäàëè îò ãîðîäîâ, â áåçëóííóþ íî÷ü ôîí íåáà ñîñòàâëÿåò â çåíèòå îêîëî 22m ñ êàæäîé êâàäðàòíîé ñåêóíäû äóãè, à â èäåàëüíûõ âûñîêîãîðíûõ óñëîâèÿõ — âïëîòü äî 23m/êâ. ñåê. Ê ãîðèçîíòó ôîí íåáà çàìåòíî âîçðàñòàåò. Îäèí êâàäðàòíûé ãðàäóñ áåçëóííîãî íåáà ñâåòèò óæå êàê çâåçäà 4m, à âñÿ ïîëóñôåðà íî÷íîãî íåáà èçëó÷àåò êàê îáúåêò –6m èëè äàæå –7m (Ðåøåòíèêîâ, 2012). Çàìåòèòü ñâå÷åíèå íåáà ëåãêî: äîñòàòî÷íî â òåìíóþ íî÷ü âûãëÿíóòü èç íåîñâåùåííîãî ïîìåùåíèÿ — íàïðèìåð, â ëåñó âûãëÿíóòü èç ïàëàòêè. Âû çàìåòèòå, ÷òî âíóòðåííèå ñòåíû ïîìåùåíèÿ çíà÷èòåëüíî òåìíåå íî÷íîãî íåáà (ðèñ. 5 öâåòíîé âêëàäêè). Îòêóäà æå ýòîò ñâåò? Áîëåå ïîëîâèíû äàåò ñâå÷åíèå çåìíîé àòìîñôåðû, ò. å. èçëó÷åíèå åå àòîìîâ è ìîëåêóë. Ïðèìåðíî òðåòü — ýòî çîäèàêàëüíûé ñâåò, ò. å. ñîëíå÷íûå ëó÷è, ðàññåÿííûå ìåæïëàíåòíîé ïûëüþ, à îñòàëüíîå — çâåçäíûé ñâåò, ðàññåÿííûé ìåæçâåçäíîé ïûëüþ, à òàêæå ñâåò äàëåêèõ íåðàçëè÷èìûõ çâåçä, òóìàííîñòåé è ãàëàêòèê (Ðî÷, Ãîðäîí, 1977). ßðêîñòü ôîíà çàâèñèò êàê îò íàïðàâëåíèÿ (çåíèòíîå ðàññòîÿíèå, ïîëîñà Ìëå÷íîãî Ïóòè, çîäèàê, îêðåñòíîñòè ÿðêèõ çâåçä è ò. ï.), òàê è îò âðåìåíè ñóòîê, ôàçû Ëóíû è ôàçû öèêëà ñîëíå÷íîé àêòèâíîñòè: ñâå÷åíèå àòìîñôåðû çàìåòíî óñèëèâàåòñÿ ïðè ïîâûøåíèè àêòèâíîñòè Ñîëíöà. Íî ïî÷åìó ìû âîîáùå òàê ìíîãî ãîâîðèì î ôîíå íåáà? Äà ïîòîìó, ÷òî èìåííî îí îãðàíè÷èâàåò ðàçëè÷èìîñòü ïðåäåëüíî òóñêëûõ êîñìè÷åñêèõ îáúåêòîâ. Åñëè áû ýòîò ôîí áûë èäåàëüíî îäíîðîäíûì, òî íå áûëî áû ïðîáëåì: ëþáîé ñëàáûé èñòî÷íèê ñâåòà áûë áû íà íåì çàìåòåí. Íî ôîí íåáà â ñèëó êâàíòîâîé ïðèðîäû ñâåòà íåîäíîðîäåí, îí ïîñòîÿííî èñïûòûâàåò ìåëêèå ôëóêòóàöèè. Åñëè êîñìè÷åñêèé èñòî÷íèê ñâåòèò ñëàáî, òî òðóäíî áûâàåò ðåøèòü, ðåàëüíûé ýòî îáúåêò èëè ôëóêòóàöèÿ ôîíà. Áûòîâîé ïðèìåð: ìàêîâîå çåðíûøêî ëåãêî íàùóïàòü íà èäåàëüíî ðîâíîé ïîâåðõíîñòè çåðêàëà, íî ãîðàçäî òðóäíåå — íà ïîâåðõíîñòè íåñòðóãàíîé äîñêè. Òàêèì îáðàçîì, èìåííî õàîòè÷åñêèå ôëóêòóàöèè ôîíà íåáà ÿâëÿåòñÿ âàæíûì îãðàíè÷èâàþùèì ôàêòîðîì ïðè ðåãèñòðàöèè ïðåäåëüíî ñëàáûõ îáúåêòîâ. Ïðè íàáëþäåíèè «òî÷å÷íûõ» èñòî÷íèêîâ — çâåçä — ïðàêòè÷åñêè íå óäàåòñÿ íàäåæíî ôèêñèðîâàòü îáúåêòû ñëàáåå 28m ñ ïîâåðõíîñòè Çåìëè è 30m èç êîñìîñà.  ñëó÷àå ïðîòÿæåííûõ èñòî÷íèêîâ — ãàëàêòèê, òóìàííîñòåé — ïðåäåëüíàÿ ÿðêîñòü îáû÷íî ñîñòàâëÿåò 27m/êâ. ñåê. â ôèëüòðå B, ÷òî ïðèáëèçèòåëüíî ñîîòâåòñòâóåò 1 LA/ïê2.  èñêëþ÷èòåëüíûõ ñëó÷àÿõ, ïðè íàáëþäåíèè èç êîñìîñà èëè ñ ôèëüòðàìè, îòñåêàþùèìè ôîí íåáà, óäàåòñÿ çàðåãèñòðèðî-
1.5. Òåëåñêîïû è ãàëàêòèêè
27
âàòü âíåøíèå îáëàñòè ãàëàêòèê, èìåþùèå ïîâåðõíîñòíóþ ÿðêîñòü îêîëî 30m/êâ. ñåê. Êàê âèäèì, ìåñòî íàáëþäåíèÿ èãðàåò âàæíóþ ðîëü. È ïðè÷èíà íå òîëüêî â òîì, ÷òî â êîñìîñå íàáëþäåíèÿì íå ìåøàåò ñâå÷åíèå àòìîñôåðû, íî è â òîì, ÷òî ïðåëîìëåíèå ñâåòà â íåñïîêîéíîé àòìîñôåðå äåëàåò èçîáðàæåíèÿ íå÷åòêèìè, «ðàçìàçûâàÿ» èõ è áåç òîãî ñëàáûé ñâåò ïî áîëüøåé ïëîùàäè, çàòðóäíÿÿ ýòèì åãî âûäåëåíèå íà ôîíå íåáà. Êàê òóò íå âñïîìíèòü ïðîðî÷åñêèå ñëîâà Èñààêà Íüþòîíà, íàïèñàííûå èì â êîíöå ïåðâîé ÷àñòè «Îïòèêè»: «Åñëè áû òåîðèÿ èçãîòîâëåíèÿ òåëåñêîïîâ è ìîãëà ñî âðåìåíåì ïîëíîñòüþ ïåðåéòè â ïðàêòèêó, òî ñóùåñòâîâàëè áû, îäíàêî, îïðåäåëåííûå ãðàíèöû, çà êîòîðûìè íåâîçìîæíî äàëüíåéøåå ñîâåðøåíñòâîâàíèå òåëåñêîïîâ, èáî âîçäóõ, ÷åðåç êîòîðûé ìû ñìîòðèì íà çâåçäû, íàõîäèòñÿ â ïîñòîÿííîì äðîæàíèè, êàê ýòî ìîæíî âèäåòü ïî äðîæàíèþ òåíåé, îòáðàñûâàåìûõ âûñîêèìè áàøíÿìè, è ïî ìåðöàíèþ íåïîäâèæíûõ çâåçä. Íî ýòè çâåçäû íå ìåðöàþò ïðè íàáëþäåíèè ÷åðåç òåëåñêîïû ñ áîëüøèìè îòâåðñòèÿìè. Èáî ëó÷è ñâåòà, ïðîõîäÿùèå ÷åðåç ðàçëè÷íûå ÷àñòè îòâåðñòèÿ, äðîæàò êàæäûé â îòäåëüíîñòè, è áëàãîäàðÿ èõ ðàçëè÷íîìó è èíîãäà ïðîòèâîïîëîæíîìó äðîæàíèþ îíè ïàäàþò â îäíî è òî æå âðåìÿ íà ðàçëè÷íûå òî÷êè äíà ãëàçà, ïðè÷åì èõ äðîæàùèå äâèæåíèÿ ñëèøêîì áûñòðû è íåÿñíû, ÷òîáû èõ ìîæíî áûëî ðàçëè÷èòü â îòäåëüíîñòè. Âñå ýòè îñâåùåííûå òî÷êè ñîñòàâëÿþò îäíó øèðîêóþ ñâåòÿùóþñÿ òî÷êó, ñîñòîÿùóþ èç ìíîãèõ òàêèõ äðîæàùèõ òî÷åê, íåÿñíî è íåîùóòèìî ñìåøèâàåìûõ îäíà ñ äðóãîé áëàãîäàðÿ êîðîòêèì è áûñòðûì äðîæàíèÿì; ïîýòîìó çâåçäà êàæåòñÿ øèðå, ÷åì îíà åñòü, è âèäíà áåç âñÿêîãî äðîæàíèÿ.  äëèííûå òåëåñêîïû ïðåäìåòû êàæóòñÿ ÿð÷å è áîëüøå, ÷åì â êîðîòêèå, íî èõ íåëüçÿ ñäåëàòü òàêèìè, ÷òîáû èçáàâèòüñÿ îò ñëèÿíèÿ ëó÷åé, âîçíèêàþùåãî îò äðîæàíèé â àòìîñôåðå. Åäèíñòâåííîå ñðåäñòâî — íàèáîëåå ÿñíûé è ñïîêîéíûé âîçäóõ, êîòîðûé, ìîæåò áûòü, íàéäåòñÿ íà âåðøèíàõ âûñî÷àéøèõ ãîð íàä áîëüøèìè îáëàêàìè». Çàìå÷ó, ÷òî Íüþòîí íè ðàçó â æèçíè íå óäàëÿëñÿ îò Ëîíäîíà äàëåå 150 êì, ïîýòîìó ñàì îí íàñòîÿùèõ ãîð íèêîãäà íå âèäåë. Áîëåå òîãî: ãîðíûõ îáñåðâàòîðèé íè â òî âðåìÿ, íè â ïîñëåäóþùèå íåñêîëüêî ñòîëåòèé íå ñóùåñòâîâàëî. Òàêèì îáðàçîì, ïðåäâèäåíèå Íüþòîíà îòíîñèòåëüíî âûñîêîãîðíûõ îáñåðâàòîðèé — åùå îäèí çàìå÷àòåëüíûé îáðàçåö åãî íàó÷íîé ïðîçîðëèâîñòè! Ëþáîïûòíî, ÷òî ÷åðåç òðè ñòîëåòèÿ åãî êîëëåãè è ñîîòå÷åñòâåííèêè, íå âíÿâ ïðåäóïðåæäåíèþ êëàññèêà, óñòàíîâèëè íîâûé 100-äþéìîâûé òåëåñêîï íà òåððèòîðèè ðàâíèííîé Àíãëèè è äàæå íàçâàëè åãî èìåíåì Íüþòîíà! Ïðîðàáîòàâ ñ
28
Ãëàâà 1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ 5
lg (N/0,5 çâ. âåë./êâ. ãðàä.)
1967 ïî 1979 ãã. â ïîëÿõ ãðàôñòâà Ñóññåêñ è äîêàçàâ íåïðèãîäíîñòü àíãëèéÃàëàêòèêè 4 ñêîãî íåáà äëÿ âíåãàëàêòè÷åñêîé àñòðîíîìèè, Isaac Newton Telescope áûë ïå3 ðåâåçåí íà âåðøèíó Ðîêà-äå-ëîñ-Ìó÷àÇâåçäû ÷îñ (î. Ëà-Ïàëüìà, Êàíàðñêèå î-âà), ãäå 2 ñ òåõ ïîð ýôôåêòèâíî ñëóæèò íàóêå. Ýòî â î÷åðåäíîé ðàç óáåæäàåò, ÷òî 1 êëàññèêîâ íóæíî ÷èòàòü. 0 Òåõíè÷åñêîå ñîâåðøåíñòâîâàíèå òå14 18 22 26 ëå ñêî ïîâ äàåò îñîáåííî ÿðêèå ðåçóëüÇâåçäíàÿ âåëè÷èíà òàòû ïðè èññëåäîâàíèè ãàëàêòèê. Äëÿ Ðèñ. 1.6. Êîëè÷åñòâî çâåçä è ãàëàêòèê íà 1 êâàäðàòíûé ãðàäóñ ýòîãî åñòü êàê ìèíèìóì äâå ïðè÷èíû. 1. Çâåçäû áîëüøèíñòâà èçâåñòíûõ íåáà â èíòåðâàëå 0,5 çâåçäíîé âåëè÷èíû â çàâèñèìîñòè îò èõ áëå- òèïîâ, ïðåáûâàþùèå íà ðàçíûõ ñòàäèñêà â ãîëóáîé îáëàñòè ñïåêòðà ÿõ ýâîëþöèè, ìîæíî íàéòè ñðàâíèòåëü(ïîëîñà B). íî íåäàëåêî îò Ñîëíöà. Ïîýòîìó óæå ê êîíöó ÕÕ â. àñòðîíîìû ñîçäàëè âïîëíå ðàçâèòóþ òåîðèþ ýâîëþöèè çâåçä — îò ïåðâûõ äî ïîñëåäíèõ ýòàïîâ èõ æèçíè, è äàæå ñ ó÷åòîì òåñíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ çâåçä äðóã ñ äðóãîì. Èíîå äåëî — ãàëàêòèêè. Îíè ðîäèëèñü äàâíî, â ýïîõó, îòäåëåííóþ îò íàñ ìèëëèàðäàìè ëåò, à çíà÷èò, îòäàëåííóþ â ïðîñòðàíñòâå íà ìèëëèàðäû ñâåòîâûõ ëåò. Èìåííî ïîýòîìó, ÷òîáû óâèäåòü ðîæäåíèå ãàëàêòèê, íóæíû ñóïåð-òåëåñêîïû. È îíè óæå åñòü. 2. Çâåçäû íåïðîçðà÷íû, ïîýòîìó íèêàêîé òåëåñêîï âñå ðàâíî íå ìîæåò çàãëÿíóòü â èõ íåäðà (íåéòðèííûå èññëåäîâàíèÿ Ñîëíöà — óíèêàëüíàÿ âîçìîæíîñòü). Ôîðìà çâåçä äîâîëüíî ïðîñòà è áëèçêà ê øàðó èëè ýëëèïñîèäó, ïîýòîìó àñòðîíîìû íå ñëèøêîì îãîð÷åíû òåì, ÷òî ïðè íàáëþäåíèè â ëþáîé òåëåñêîï àáñîëþòíîå áîëüøèíñòâî çâåçä âûãëÿäèò òî÷êàìè è îñòàíåòñÿ òàêîâûìè â áëèæàéøèå ãîäû. Èíîå äåëî — ãàëàêòèêè. Êàæäûé íîâûé øàã â óëó÷øåíèè ÷åòêîñòè àñòðîíîìè÷åñêèõ èçîáðàæåíèé îòêðûâàåò íàì íîâûå íåîæèäàííûå äåòàëè ñòðîåíèÿ ãàëàêòèê. Ñîçäàíèå êîñìè÷åñêîãî òåëåñêîïà «Õàááë» è ñèñòåì àäàïòèâíîé îïòèêè äëÿ áîëüøèõ íàçåìíûõ òåëåñêîïîâ îòîçâàëîñü êîëîññàëüíûì ïðîðûâîì â èññëåäîâàíèè ãàëàêòèê è îòêðûëî ïðèíöèïèàëüíî íîâûå ôàêòû îá ýâîëþöèè Âñåëåííîé. Äëÿ áîëüøèõ òåëåñêîïîâ, îáëàäàþùèõ âûñîêîé ïðîíèöàþùåé ñïîñîáíîñòüþ, íåáî íàñåëåíî â îñíîâíîì íå çâåçäàìè, à ãàëàêòèêàìè: ñ ïðîäâèæåíèåì ê îáúåêòàì íèçêîé ÿðêîñòè ïðè áëåñêå îêîëî 20,5m ïëîòíîñòü ÷èñëà çâåçä íà åäèíèöó ïëîùàäè íåáà ñòàíîâèòñÿ
1.5. Òåëåñêîïû è ãàëàêòèêè
29
Ðèñ. 1.7. Ñâåðõãëóáîêîå ïîëå òåëåñêîïà «Õàááë» (Hubble Ultra-Deep Field, HUDF). Ýòó îáëàñòü íåáà â ñîçâåçäèè Ïå÷ü êîñìè÷åñêèé òåëåñêîï ôîòîãðàôèðîâàë â ïåðèîä ñ 24 ñåíòÿáðÿ 2003 ã. ïî 16 ÿíâàðÿ 2004 ã., íàêîïèâ ñóììàðíóþ ýêñïîçèöèþ â 1 ìëí ñåêóíä, èëè 11,3 ñóòîê. Ðàçìåð ñòîðîíû êàäðà ÷óòü áîëåå 3¢. Ôîòî: NASA, ESA.
ìåíüøå ïëîòíîñòè ÷èñëà ãàëàêòèê (ðèñ. 1.6). Ðàçóìååòñÿ, ýòî ñðåäíÿÿ îöåíêà. Âäîëü ïîëîñû Ìëå÷íîãî Ïóòè ïëîòíîñòü çâåçä î÷åíü âûñîêà, à ãàëàêòèêè ñîâñåì íå âèäíû (ïûëü!), çàòî â íàïðàâëåíèÿõ ãàëàêòè÷åñêèõ ïîëþñîâ åñòü îáëàñòè, ãäå çâåçä ïî÷òè íåò, à ãàëàêòèê íåâåðîÿòíî ìíîãî. Ïîðàçèòåëüíî âûãëÿäÿò ãëóáîêèå ñíèìêè êîñìîñà â ýòèõ íàïðàâëåíèÿõ, ïîëó÷åííûå òåëåñêîïîì «Õàááë»: íà åãî Ñâåðõãëóáîêîì ïîëå (ðèñ. 1.7) ïëîùàäüþ îêîëî 11 êâ. ìèíóò äóãè çàïå÷àòëåëîñü îêîëî 10 òûñ. ãàëàêòèê (ðàçóìååòñÿ, âñå îíè âèäíû ëèøü íà îðèãèíàëüíîì èçîáðàæåíèè, à íå íà êíèæíîé èëëþñòðàöèè). Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî
30
Ãëàâà 1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ
êàæäûé êâàäðàòèê íåáåñíîé ñôåðû ñî ñòîðîíîé 2² ñîäåðæèò ãàëàêòèêó. Íàèáîëåå äàëåêèå çâåçäíûå ñèñòåìû, îñòàâèâøèå ñâîé ñëåä íà ýòîì ñíèìêå, óäàëåíû îò íàñ íà 13 ìëðä ñâ. ëåò. Óäèâèòåëüíî, íî íà âñåì ýòîì ïîëå âñåãî ëèøü íåñêîëüêî çâåçä íàøåé ãàëàêòèêè. Èõ ïðèçíàê — êðåñò èç äèôðàêöèîííûõ óñèêîâ. Åñëè áû íå áûëî ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé, åñëè áû äàëåêèå ãàëàêòèêè íå óäàëÿëèñü îò íàñ ñ áîëüøîé ñêîðîñòüþ, îíè âûãëÿäåëè áû ãîðàçäî ÿð÷å, ÷åì ñåé÷àñ. Îïòè÷åñêèé ôîí íåáà áûë áû çíà÷èòåëüíî áîëüøå, ÷åì òåïåðü, è íå óñòóïàë áû ïî ÿðêîñòè Ìëå÷íîìó Ïóòè. Ôîòîãðàôèðîâàòü áëèçêèå êðóïíûå ãàëàêòèêè íà ñòîëü æå ÿðêîì, êàê îíè ñàìè, ôîíå áûëî áû âåñüìà íåïðîñòî. Ê ñ÷àñòüþ, Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿåòñÿ. Òåì íå ìåíåå ïåðèôåðèéíûå îáëàñòè ãàëàêòèê, èõ ðàçðåæåííûå ãàëî è êîðîíû îñòàþòñÿ ïðàêòè÷åñêè íåèçó÷åííûìè. Ýòà èíòåðåñíàÿ ðàáîòà — äëÿ àñòðîíîìîâ áóäóùåãî. Ñ îäíîé ñòîðîíû, èçó÷àòü ãàëàêòèêè ëåãêî, ïîñêîëüêó îíè ïî÷òè, à èíîãäà è ïîëíîñòüþ ïðîçðà÷íû. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, íå èìåÿ âîçìîæíîñòè ïîâîðà÷èâàòü ïðîçðà÷íûé ïðåäìåò ïåðåä ãëàçàìè (ò. å. óâèäåòü åãî ñ äðóãîé ñòîðîíû), ìû íå ìîæåì ïîíÿòü åãî îáúåìíóþ ñòðóêòóðó. Ýòî êàñàåòñÿ íå òîëüêî äàëåêèõ ãàëàêòèê, íî è íàøåé. Ñêîëü áû òùàòåëüíî àñòðîíîìû íè èçó÷àëè ñòðîåíèå äèñêà Ãàëàêòèêè, îíè âñåãäà áóäóò íàõîäèòüñÿ â ïîëîæåíèè âðà÷à-ðåíòãåíîëîãà, ïûòàþùåãîñÿ â òåìíîì êàáèíåòå ïðåäñòàâèòü ñåáå âíåøíîñòü ïàöèåíòà. Ñòàðûå ðåíòãåíîâñêèå àïïàðàòû ïîêàçûâàëè ëèøü òóìàííóþ ïðîåêöèþ ïëîòíûõ äåòàëåé òåëà — åãî ñêåëåò. Ñîâðåìåííûå òîìîãðàôû ïîçâîëÿþò âîññòàíîâèòü òðåõìåðíîå ñòðîåíèå òåëà. Íî óâèäåòü âíåøíîñòü ÷åëîâåêà, ïðîñâå÷èâàÿ åãî íàñêâîçü, íå óäàåòñÿ. Àñòðîíîìû òîæå «ïðîñâå÷èâàþò» Ãàëàêòèêó, íî ïðè ýòîì ìå÷òàþò óâèäåòü åå ïîðòðåò. Íåñáûòî÷íîå æåëàíèå àñòðîíîìîâ Çåìëè — ïîëó÷èòü ôîòîãðàôèþ Ãàëàêòèêè èçâíå. Ìû óæå äàâíî áåç îñîáîãî òðóäà ôîòîãðàôèðóåì äàëåêèå çâåçäíûå ñèñòåìû, íî íå ìîæåì ïîëó÷èòü èçîáðàæåíèå ñâîåé. Ïðè ýòîì ó àñòðîíîìîâ, æèâóùèõ â òåõ äàëåêèõ ãàëàêòèêàõ, äàâíî óæå ïûëèòñÿ íà ïîëêå ïîðòðåò íàøåé çâåçäíîé ñèñòåìû, íî îíè ñòðàäàþò, íå â ñèëàõ ñôîòîãðàôèðîâàòü ñâîþ. Íàïðàøèâàåòñÿ åñòåñòâåííîå æåëàíèå… îáìåíÿòüñÿ ñíèìêàìè. Ïðèíöèïèàëüíûõ ïðîáëåì íåò: íóæíî ëèøü óáåäèòü ñïåöèàëèñòîâ ïî SETI ïîìåñòèòü â ñâîè êîñìè÷åñêèå ïîñëàíèÿ ôîòîãðàôèè òåõ ãàëàêòèê, â ñòîðîíó êîòîðûõ íàïðàâëåíà àíòåííà ïåðåäàò÷èêà. Óâåðåí, ÷òî íàøè íåâåäîìûå êîððåñïîíäåíòû áóäóò áëàãîäàðíû íàì çà òàêîå ïîñëàíèå.  îòâåò, à ìîæåò áûòü è ðàíüøå, ìû ïîëó÷èì ôîòî íàøåé ðîäíîé çâåçäíîé ñèñ-
1.6. Îáúåì çâåçä â îáúåìå Âñåëåííîé
31
òåìû è òîãäà íàêîíåö óçíàåì, êàê âûãëÿäèò Ãàëàêòèêà è ñïèðàëüíûé óçîð íà åå äèñêå. Ñåãîäíÿ ýòî êàæåòñÿ ôàíòàñòèêîé, íî íè÷åãî íåâîçìîæíîãî â ýòîì íåò.  ëþáîé äåíü ìû ìîæåì ïîëó÷èòü îò äàëåêèõ êîëëåã ôîòî ñ íàäïèñüþ «You are here». Íàäî ëèøü íå ïðîïóñòèòü ýòî ñîîáùåíèå.
1.6. Îáúåì çâåçä â îáúåìå Âñåëåííîé Âñ¸ æå ñëåäóåò ïðèçíàòü, ÷òî ïî÷òè ïîëíàÿ ïðîçðà÷íîñòü Âñåëåííîé — ýòî ñ÷àñòüå äëÿ àñòðîíîìîâ. Äóìàþ, ÷òî ãåîëîãè, àðõåîëîãè è ïàëåîíòîëîãè ìíîãîå áû îòäàëè çà òî, ÷òîáû çåìíàÿ êîðà ñòàëà ïðîçðà÷íîé èëè õîòÿ áû ïîëóïðîçðà÷íîé. Íî äëÿ íèõ ýòî ëèøü ìå÷òà: âãëóáü çåìëè ìû íå âèäèì è íà ìèëëèìåòð, à êîñìè÷åñêîå ïðîñòðàíñòâî ïðîçðà÷íî íà ìèëëèàðäû ñâåòîâûõ ëåò! Äàæå â âèäèìîì ñâåòå ìû ðàçëè÷àåì ãàëàêòèêè íà êðàþ Âñåëåííîé; ëèøü â íåêîòîðûõ íàïðàâëåíèÿõ ýòîìó ìåøàåò ìåæçâåçäíàÿ ïûëü. À äëÿ èíôðàêðàñíîãî è ðàäèîèçëó÷åíèÿ åùå ìåíüøå ïðåïÿòñòâèé. Íà ïåðâûé âçãëÿä ýòî ñòðàííî: ãëÿäÿ íà ñâåðõãëóáîêèé ñíèìîê «Õàááëà» (ðèñ. 1.7), ìû ïðåäñòàâëÿåì, ÷òî êîñìîñ ïëîòíî çàáèò ãàëàêòèêàìè, íî ýòî âïå÷àòëåíèå îáìàí÷èâî. Èìåííî ïðîçðà÷íîñòü êîñìîñà ïîçâîëÿåò íàì âèäåòü êàê áëèçêèå, òàê è äàëåêèå îáúåêòû; âñå âìåñòå â ïðîåêöèè íà íåáî îíè ñîçäàþò âïå÷àòëåíèå òåñíîòû. Ïðàâäà, åñòü îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà, ãäå ãàëàêòèêè «óïàêîâàíû» ïëîòíåå, ÷åì â ñðåäíåì. Ìû íàçûâàåì èõ ãðóïïàìè, ñêîïëåíèÿìè è ñâåðõñêîïëåíèÿìè ãàëàêòèê (ðèñ. 1.8). Êàæåòñÿ, ÷òî â òàêèõ ìåñòàõ ãàëàêòèêàì òåñíî, îíè äîëæíû çàñëîíÿòü äðóã äðóãà è ïîñòîÿííî êàòàñòðîôè÷åñêè ñòàëêèâàòüñÿ. Äåéñòâèòåëüíî, áûâàþò ñòîëêíîâåíèÿ, íî ýòî îòíþäü íå êàòàñòðîôû. Ãàëàêòèêè ëèøü íà ïåðâûé âçãëÿä ìîíîëèòíûå ñîîðóæåíèÿ, ñèÿþùèå êàê çâåçäû.  äåéñòâèòåëüíîñòè ãàëàêòèêè ÷ðåçâû÷àéíî ðàçðåæåííû è ïðîçðà÷íû, ïðîíèöàåìû äëÿ ïëîòíîãî âåùåñòâà è ñâåòà.  ýòîì ñìûñëå îíè «âèäèìîå íè÷òî». Òåìíàÿ ìàòåðèÿ, çàïîëíÿþùàÿ ãàëàêòèêó, — ýòî «íåâèäèìîå íå÷òî» — ñîâåðøåííî ïðîçðà÷íà äëÿ ñâåòà è ïðîíèöàåìà äëÿ âåùåñòâà. Ðàçðåæåííûé ìåæçâåçäíûé ãàç òîæå ïðàêòè÷åñêè ïðîçðà÷åí è íå ïðåïÿòñòâóåò äâèæåíèþ çâåçä. Ïûëü ñîáðàíà â ïëîòíûõ îáëàêàõ è â öåëîì áîëüøèõ ïðîáëåì äëÿ ñâåòà íå ñîçäàåò. À ñàìè çâåçäû: ðàçâå îíè íå çàñëîíÿþò äðóã äðóãà, ðàçâå íå ñòàëêèâàþòñÿ? Äàâàéòå ðàçáåðåìñÿ. ×òîáû ïî÷óâñòâîâàòü ïóñòîòó Âñåëåííîé, ïîïðîáóåì ñîáðàòü âñå çâåçäû âìåñòå, îöåíèì, êàêóþ äîëþ ïðîñòðàíñòâà îíè çàíèìàþò. Íà ïåðâûé âçãëÿä — çâåçäû ïîâñþäó: «Îòêðûëàñü áåçäíà, çâåçä ïîëíà…» À òàê ëè óæ ïîëíà?
32
Ãëàâà 1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ
Ðèñ. 1.8. Öåíòðàëüíàÿ ÷àñòü ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê Abell 426 â Ïåðñåå, óäàëåííîãî îò íàñ íà 77 Ìïê. Ðàçìåð îáëàñòè íà ôîòî — îêîëî 300 êïê. Òàêîé îáúåì çàíèìàåò îäíà íàøà ãàëàêòèêà ñî ñïóòíèêàìè, à â ñêîïëåíèè Ïåðñåÿ â òàêîì æå îáúåìå «óïàêîâàíû» ñîòíè ãàëàêòèê! Ôîòî: Canada-France-Hawaii Telescope.
Ãëÿäÿ âî Âñåëåííóþ, ìû âèäèì çâåçäû è òîëüêî çâåçäû. Îíè åäèíñòâåííûå ÿâëÿþòñÿ ñàìîñòîÿòåëüíûì èñòî÷íèêîì ñâåòà ñ áîëüøèì çàïàñîì ýíåðãèè.  Ãàëàêòèêå è çà åå ïðåäåëàìè åñòü è äðóãèå íîñèòåëè ìàññû, íî èõ ïî÷òè íå âèäíî. Ýòî òåìíîå âåùåñòâî óñëîâíî ìîæíî ðàçäåëèòü íà ïëàíåòû, êîðè÷íåâûå êàðëèêè, îñòàòêè çâåçä è äèôôóçíóþ (ìåæçâåçäíóþ) ñðåäó. Çåìíîìó íàáëþäàòåëþ çà ïðåäåëîì Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ïëàíåòû ïðàêòè÷åñêè íå âèäíû. Êîðè÷íåâûå êàðëèêè ñòàíîâÿòñÿ çàìåòíûìè ëèøü íà ðàííåì ýòàïå ñâîåé ýâîëþöèè — â ïåðèîä ãðàâèòàöèîííîãî ñæàòèÿ, íî è ïðè ýòîì ñâåòÿòñÿ ëèøü â èíôðàêðàñíîì äèàïàçîíå ñïåêòðà. Ñðåäè îñòàòêîâ çâåçä âèäíû ëèøü ìîëîäûå (íå óñïåâøèå îñòûòü) áåëûå êàðëèêè. Ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà, çàïîëíÿþùàÿ ïðîñòðàíñòâî ìåæäó çâåçäàìè, òàêæå ïðàêòè÷åñêè íå âèäíà, ïîñêîëüêó èìååò î÷åíü íèçêóþ ïîâåðõíîñòíóþ ÿðêîñòü. Ëèøü íàèáîëåå ïëîòíûå åå ÷àñòè (îáëàñòè HII) óäàåòñÿ ñôîòîãðàôèðîâàòü â èõ ñîáñòâåííîì ñâåòå ëèáî çàìåòèòü êàê òåìíûå îáëàñòè (ïûëåâûå îáëàêà) íà ÿðêîì ôîíå ïëîòíûõ çâåçäíûõ ïîëåé èëè ñâåòÿùåãîñÿ ãàçà.
33
1.6. Îáúåì çâåçä â îáúåìå Âñåëåííîé
Òàáëèöà 1.2 Ôèçè÷åñêèå ïàðàìåòðû çâåçä M — ìàññà, R — ðàäèóñ, ñ — ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü, ñc — öåíòðàëüíàÿ ïëîòíîñòü, Tc — öåíòðàëüíàÿ òåìïåðàòóðà, L — áîëîìåòðè÷åñêàÿ ñâåòèìîñòü; MA = 2 · 1030 êã, RA = 7 · 108 ì, L¤ = 4 · 1026 Âò — ìàññà, ðàäèóñ è ñâåòèìîñòü Ñîëíöà. M, MA
R, RA
r, ã/ñì3
rc , ã/ñì3
Tc , 106 K
Ñïåêòð
L, LA
Ãëàâíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü íóëåâîãî âîçðàñòà 50
11
0,053
2,0
37
5 · 105
O6 5
30
8,5
0,068
3,0
36
1,4 · 10
O8
20
7,2
0,075
5,0
35
5 · 104
O9
15
5,8
0,11
6,2
34
14 000
B0
10
4,9
0,13
8,9
31
5 000
B2
5
3,5
0,16
20
27
630
B6 A5
2
1,9
0,41
68
21
25
1,5
1,4
0,77
88
18
6
F2
1
0,94
1,7
90
14
0,8
G3
0,5
0,40
11
84
9
0,050
M0
0,3
0,30
16
100
8
0,015
M3
0,2
0,22
26
158
7
0,006
M4
0,15
0,17
39
223
6
0,004
M4
0,1
0,12
81
690
5
0,001
M5
0,085
0,074
290
2000
4
0,0004
M6
Êðàñíûé ãèãàíò 1,3
27
0,0001
320
40
150
8
0,001
K2
Áåëûé êàðëèê 0,9
0,01
10
6
1,6 · 107
Èòàê, çâåçäû — ïðàêòè÷åñêè åäèíñòâåííûå âèäèìûå îáúåêòû âî Âñåëåííîé.  íàøó ýïîõó îíè ñëóæàò îñíîâíûì èñòî÷íèêîì ýíåðãèè è åäèíñòâåííûì «äâèãàòåëåì» õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè âåùåñòâà. À âåëèêà ëè äîëÿ îáúåìà Âñåëåííîé, çàíÿòàÿ çâåçäàìè? Ïóñòü MS — ñóììàðíàÿ ìàññà âñåõ çâåçä, VS — ñóììàðíûé îáúåì âñåõ çâåçä è VU — îáúåì Âñåëåííîé (òîé åå îáëàñòè, â êîòîðîé ïîäñ÷èòàíû MS è VS). Òîãäà èíòåðåñóþùåå íàñ îòíîøåíèå îáúåìîâ (VS/VU) ìîæíî âûðàçèòü êàê MSVS/MSVU. Íî MS/VS — ýòî ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü âåùåñòâà â çâåçäàõ (ñ), à MS/VU — ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü çâåçäíîãî âåùåñòâà âî Âñåëåííîé (ñS). Ñëåäîâàòåëüíî, îòíîøåíèå îáúåìîâ VS/VU ìîæíî çàìåíèòü îòíîøåíèåì ïëîòíîñòåé ñS/ñ.
34
Ãëàâà 1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ
Ïðîñòåéøóþ îöåíêó äëÿ ýòîãî îòíîøåíèÿ ìîæíî ïîëó÷èòü, åñëè ðàññìàòðèâàòü Ñîëíöå êàê òèïè÷íîãî ïðåäñòàâèòåëÿ çâåçä ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè (òàáë. 1.2, Ëàìçèí, 2008).  ýòîì ñëó÷àå äëÿ îöåíêè îòíîøåíèÿ rS/r äîñòàòî÷íî äâóõ õîðîøî èçâåñòíûõ âåëè÷èí: ñðåäíåé ïëîòíîñòè âåùåñòâà Ñîëíöà rA = 1,41 ã/ñì3 (Ñàìóñü, Ñóðäèí, 2008) è ñðåäíåé ïëîòíîñòè áàðèîííîãî âåùåñòâà (ò. å. ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ) âî Âñåëåííîé rB = 3,98 · 10–31 ã/ñì3 (Ãîðáóíîâ, Ðóáàêîâ, 2008). Ñëåäóåò òàêæå ó÷åñòü, ÷òî ñîáñòâåííî â çâåçäàõ çàêëþ÷åíî îêîëî 10% áàðèîííîãî âåùåñòâà, à îñòàëüíûå 90% — ýòî ìåæçâåçäíûé è â îñíîâíîì ãîðÿ÷èé ìåæãàëàêòè÷åñêèé ãàç. Òàêèì îáðàçîì, ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü çâåçäíîãî âåùåñòâà âî Âñåëåííîé rS » 0,1rB » 4 · 10–32 ã/ñì3. Îòñþäà ëåãêî ïîëó÷èòü îöåíêó äëÿ òîé äîëè îáúåìà, êîòîðóþ âî Âñåëåííîé çàíèìàþò çâåçäû ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè: rS/rA » 3 · 10–32. ×òîáû ïðåäñòàâèòü ýòî îòíîøåíèå íàãëÿäíî, îöåíèì ñóììàðíûé îáúåì çâåçä íàáëþäàåìîé îáëàñòè Âñåëåííîé — Ìåòàãàëàêòèêè. Âîçðàñò Âñåëåííîé îêîëî 14 ìëðä ëåò, ñëåäîâàòåëüíî, ðàäèóñ äîñòóïíîé íàáëþäåíèÿì îáëàñòè Âñåëåííîé ïîðÿäêà RM » 14 ìëðä ñâ. ëåò, èëè RM » 14 · 109 ´ 9,46 · 1015 ì = 1,3 · 1026 ì. Ïðè ýòîì îáúåì Ìåòàãàëàêòèêè 3 ñîñòàâëÿåò VU = 4ðR M /3 » 9,7 · 1078 ì3. Îòñþäà íàéäåì ñóììàðíûé îáúåì âñåõ çâåçä ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè: VS = VU ´ rS/rA » 3 · 1047 ì3. Åñëè ñîáðàòü âñå ýòè çâåçäû âìåñòå, òî îíè çàéìóò îáëàñòü ðàçìåðîì ïîðÿäêà V S1 / 3 » 6 · 1015 ì = 0,2 ïê. Ýòî çàìåòíî ìåíüøå ðàññòîÿíèÿ îò Ñîëíöà äî áëèæàéøåé çâåçä (1,3 ïê; a Êåíòàâðà). Ôàêòè÷åñêè ýòî ðàññòîÿíèå äàæå ìåíüøå ðàäèóñà îáëàêà Îîðòà, ñîñòàâëÿþùåãî îêîëî 150 000 à. å. = 0,7 ïê, ÿâëÿþùåãîñÿ âíåøíåé ÷àñòüþ Ñîëíå÷íîé ñècòåìû (Áóñàðåâ, Ñóðäèí, 2008). Òàêèì îáðàçîì, âñå íîðìàëüíûå çâåçäû Âñåëåííîé ëåãêî ïîìåñòèëèñü áû â ïðîñòðàíñòâå Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû! Äî ñèõ ïîð ìû ðàññìàòðèâàëè çâåçäû ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè, íî ìîæíî ïðèíÿòü âî âíèìàíèå è ñòàðåþùèå çâåçäû — êðàñíûå ãèãàíòû è ñâåðõãèãàíòû, èìåþùèå ÷ðåçâû÷àéíî ðàçðåæåííûå è ïðîòÿæåííûå îáîëî÷êè. Åñëè âíîâü â êà÷åñòâå òèïè÷íîé çâåçäû òàêîãî òèïà âçÿòü Ñîëíöå, òî íà ñòàäèè êðàñíîãî ãèãàíòà åãî ðàäèóñ óâåëè÷èòñÿ ïðèìåðíî â 30 ðàç, à îáúåì — â 27 000 ðàç. Ñëåäóåò ó÷åñòü òàêæå, ÷òî ïðîäîëæèòåëüíîñòü ñòàäèè êðàñíîãî ãèãàíòà (è ñâåðõãèãàíòà) ñîñòàâëÿåò îêîëî 10% ïîëíîãî âðåìåíè ýâîëþöèè çâåçäû (òàáë. 1.3). Ñëåäîâàòåëüíî, ïðè ïîñòîÿííîì òåìïå ðîæäåíèÿ çâåçä êîëè÷åñòâî êðàñíûõ ãèãàíòîâ â 10 ðàç áîëüøå ÷èñëà çâåçä ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè, à ñóììàðíûé îáúåì êðàñíûõ ãèãàíòîâ â 2700 ðàç áîëüøå ñóììàðíîãî îáúåìà âñåõ çâåçä ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè. Ýòî îáñòîÿ-
35
1.6. Îáúåì çâåçä â îáúåìå Âñåëåííîé
Òàáëèöà 1.3 Ïðîäîëæèòåëüíîñòü (â ãîäàõ) âàæíåéøèõ ýòàïîâ ýâîëþöèè çâåçä ñ ñîëíå÷íûì õèìè÷åñêèì ñîñòàâîì Ýòàï ýâîëþöèè Ôîðìèðîâàíèå Ãëàâíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü Êðàñíûé ãèãàíò
Íà÷àëüíàÿ ìàññà 1 MA
5 MA 8
4 · 10 10 · 109 2 · 109
6
7 · 10 9 · 107 1 · 107
10 MA 2 · 105 2 · 107 2 · 106
òåëüñòâî óâåëè÷èâàåò îáúåì îáëàñòè, â êîòîðîé ìîæíî ðàçìåñòèòü âñå çâåçäû Âñåëåííîé, â 14 ðàç, ò. å. äî 2,8 ïê, ÷òî ëèøü âäâîå ïðåâûøàåò ðàññòîÿíèå îò Ñîëíöà äî ñîñåäíåé çâåçäû. Ýòè ïðîñòûå îöåíêè äåìîíñòðèðóþò ôåíîìåíàëüíóþ ïóñòîòó Âñåëåííîé. Åñëè îãðàíè÷èòüñÿ òîëüêî çâåçäàìè íàøåé Ãàëàêòèêè, ÷èñëî êîòîðûõ îöåíèâàåòñÿ â 4 · 1011, òî ëåãêî âèäåòü, ÷òî âñå çâåçäû ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè çàéìóò îáúåì ðàäèóñîì îêîëî R (4 · 1011)1/3 » » 5 · 1012 ì = 34 à. å., òî åñòü ðàçìåñòÿòñÿ â öåíòðàëüíîé ÷àñòè Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû, â ïðåäåëàõ îðáèòû Íåïòóíà! Åñëè æå ó÷åñòü è êðàñíûå ãèãàíòû, òî ýòà îáëàñòü ðàñøèðèòñÿ äî 480 à. å., òî åñòü íå âûéäåò çà îðáèòó Ñåäíû, ôàêòè÷åñêè ïðåäñòàâëÿþùåé âíóòðåííþþ ÷àñòü Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Ñòîèò ëè óäèâëÿòüñÿ, ÷òî çâåçäû, õàîòè÷åñêè áëóæäàþùèå â Ãàëàêòèêå ìèëëèàðäû ëåò, íå ñòàëêèâàþòñÿ äðóã ñ äðóãîì. Áîëåå òîãî, îíè äàæå íå ñáëèæàþòñÿ íàñòîëüêî òåñíî, ÷òîáû ðèñêîâàòü ðàçðóøåíèåì ñâîèõ ïëàíåòíûõ ñèñòåì. Äåéñòâèòåëüíî, Ñîëíöå ñî ñêîðîñòüþ îêîëî v = 20 êì/ñ äâèæåòñÿ â òå÷åíèå t = 5 ìëðä ëåò ñêâîçü äèñê Ãàëàêòèêè, çàïîëíåííûé çâåçäàìè ñ ïðîñòðàíñòâåííîé ïëîòíîñòüþ îêîëî n = 0,2 çâåçäà/ïê3. Âåðîÿòíîå ìèíèìàëüíîå ðàññòîÿíèå ñáëèæåíèÿ äâóõ çâåçä rmin ëåãêî íàéòè èç óñëîâèÿ, ÷òî â öè2 ëèíäð îáúåìîì ðr min vt äîëæíà ïîïàñòü îäíà çâåçäà: 2 ðr min vtn = 1.
Îòñþäà rmin » 800 à. å. Òàêèì îáðàçîì, â òå÷åíèå âñåé «ñïîêîéíîé» æèçíè Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû â ïðåäåëû ïëàíåòíûõ îðáèò è äàæå ïîÿñà Êîéïåðà íå äîëæíî áûëî âëåòåòü íè îäíîé ñëó÷àéíîé çâåçäû. Çà «äåòñòâî» Ñîëíöà ðó÷àòüñÿ íåëüçÿ: âîçìîæíî, îíî ïðîøëî â áîëåå ïëîòíîì îêðóæåíèè ìîëîäûõ çâåçä, êîòîðûå ñáëèæàëèñü òåñíåå. Íåêîòîðûå ïîæèëûå çâåçäû òàêæå èìåþò øàíñ òåñíî ñáëèçèòüñÿ èëè äàæå ñòîëêíóòüñÿ, åñëè îáèòàþò â ïëîòíûõ ÿäðàõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé èëè â ÿäðå Ãàëàêòèêè. Íî âñå æå ýòî ðåäêîå èñêëþ÷åíèå.  öåëîì
36
Ãëàâà 1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ
íàøó è äðóãèå ãàëàêòèêè ìîæíî ñ ïîëíûì ïðàâîì ñ÷èòàòü áåññòîëêíîâèòåëüíûìè ñèñòåìàìè, ÷àñòèöû êîòîðûõ — çâåçäû — âçàèìîäåéñòâóþò äðóã ñ äðóãîì òîëüêî ãðàâèòàöèîííî è ïðàêòè÷åñêè íèêîãäà íå ñîóäàðÿþòñÿ (ñì. ãëàâó 3). Àâòîðû ñòàðûõ êíèã ëþáèëè äåìîíñòðèðîâàòü ýòî ñâîéñòâî ãàëàêòèê íà áûòîâûõ ïðèìåðàõ òàêîãî ðîäà: ïðåäñòàâüòå ñåáå äâóõ ìóõ, ëåòàþùèõ âíóòðè êóáà ñî ñòîðîíîé â 500 êì. Ìíîãî ëè ó íèõ øàíñîâ ñòîëêíóòüñÿ äðóã ñ äðóãîì? Îêàçûâàåòñÿ ñòîëüêî æå, ñêîëüêî ó Ñîëíöà è ñîñåäíèõ ñ íèì çâåçä. *** Âæèâàÿñü â ìèð ãàëàêòèê, ìû ïîçíàêîìèëèñü ñ õàðàêòåðíûìè äëÿ íèõ ìàñøòàáàìè âðåìåíè è ðàññòîÿíèé, ïîíÿëè, ÷òî ìîæíî óâèäåòü íåâîîðóæåííûì ãëàçîì è â òåëåñêîï, ïî÷óâñòâîâàëè, íàñêîëüêî ðàçðåæåíî çâåçäíîå íàñåëåíèå ãàëàêòèê è ïðîçðà÷íà Âñåëåííàÿ. Ñëåäóþùèå ãëàâû ðàññêàæóò î òåîðåòè÷åñêîì è íàáëþäàòåëüíîì èçó÷åíèè ãàëàêòèê, îá èõ âíóòðåííåé ñòðóêòóðå, ôèçè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèêàõ è âîçìîæíûõ ïóòÿõ ýâîëþöèè. Ìèð ãàëàêòèê àñòðîíîìû èçó÷àþò íåìíîãèì áîëåå âåêà. Ìû óæå ïîíÿëè, ÷òî ýòîò ìèð ÷ðåçâû÷àéíî ðàçíîîáðàçåí, è ÷òî ìíîãîå â íåì åùå íåïîíÿòíî äëÿ íàñ. Äàæå ýâîëþöèÿ ïðîñòåéøèõ ñèñòåì èç íåñêîëüêèõ çâåçä åùå èññëåäîâàíà íå äî êîíöà, ÷òî óæ òóò ãîâîðèòü î ñèñòåìàõ èç ìíîãèõ ìèëëèàðäîâ çâåçä è îêðóæàþùåãî èõ (îò÷àñòè íåèçâåñòíîãî íàì) âåùåñòâà. Ó èññëåäîâàòåëåé ãàëàêòèê ïîêà áîëüøå âîïðîñîâ, ÷åì îòâåòîâ. Íî ýòî æå è åñòü ñàìîå èíòåðåñíîå â íàóêå!
Ëèòåðàòóðà Àãåêÿí Ò. À. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Ìåòàãàëàêòèêà. Ì.: Íàóêà, 1981. Áàòóðèí Â. À., Ìèðîíîâà È. Â., Ñóðäèí Â. Ã. Ôèçèêà è ýâîëþöèÿ çâåçä // Àñòðîíîìèÿ: âåê XXI / ðåä.-ñîñò. Â. Ã. Ñóðäèí. Ôðÿçèíî: Âåê 2, 2007. Ñ. 120–161. Áóñàðåâ Â. Â., Ñóðäèí Â. Ã. Ìàëûå òåëà Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû // Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà. Ðåä.-ñîñò. Â. Ã. Ñóðäèí. Ì.: Ôèçìàòëèò, 2008. Ñ. 326–397. Âåéäåìàí Ô. Áåëûå êàðëèêè // Áåëûå êàðëèêè: ñá. Ì.: Ìèð, 1975. Ãîðáóíîâ Ä. Ñ., Ðóáàêîâ Â. À. Ââåäåíèå â òåîðèþ ðàííåé Âñåëåííîé: Òåîðèÿ ãîðÿ÷åãî Áîëüøîãî âçðûâà. Ì.: Èçä-âî ËÊÈ, 2008. Ãóðåâè÷ Ë. Ý., ×åðíèí À. Ä. Ïðîèñõîæäåíèå ãàëàêòèê è çâåçä. Ì.: Íàóêà, 1983. Åôðåìîâ Þ. Í. Î÷àãè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ãàëàêòèêàõ. Çâåçäíûå êîìïëåêñû è ñïèðàëüíûå ðóêàâà. Ì.: Íàóêà, 1989. Çâåçäû / ðåä.-ñîñò. Â. Ã. Ñóðäèí. Ì.: Ôèçìàòëèò, 2008. Èíôîðìàöèîííàÿ áàçà è áèáëèîòåêà NASA ïî âíåãàëàêòè÷åñêîé àñòðîíîìèè è êîñìîëîãèè (îáçîðû, ìîíîãðàôèè, àòëàñû, êîíñòàíòû, äàííûå íàáëþäåíèé, êàëüêóëÿòîðû è ò. ï.). http://nedwww.ipac.caltech.edu /level5
1.6. Îáúåì çâåçä â îáúåìå Âñåëåííîé
37
Êóèìîâ Ê. Â., Ñóðäèí Â. Ã. Îïòè÷åñêàÿ àñòðîíîìèÿ // Íåáî è òåëåñêîï / ðåä.-ñîñò. Â. Ã. Ñóðäèí. Ì.: Ôèçìàòëèò, 2008. C. 48–101. Ëàìçèí Ñ. À. Ñòðîåíèå è ýâîëþöèÿ çâåçä // Çâåçäû. Ì.: Ôèçìàòëèò, 2008. Ìàðî÷íèê Ë. Ñ., Ñó÷êîâ À. À. Ãàëàêòèêà. Ì.: Íàóêà, 1984. C. 119–202. Ìëå÷íûé Ïóòü: äåòàëüíîå èíòåðàêòèâíîå èçîáðàæåíèå. http://media.skysurvey. org/interactive360/index.html Íüþòîí È. Îïòèêà, èëè òðàêòàò îá îòðàæåíèÿõ, ïðåëîìëåíèÿõ, èçãèáàíèÿõ è öâåòàõ ñâåòà / ïåð. Ñ. È. Âàâèëîâà, 2-å èçä., ïðîñìîòðåííîå Ã. Ñ. Ëàíäñáåðãîì. Ì.: Ãîñ. èçä-âî òåõí.-òåîðåò. ëèò., 1954. Ñ. 86–87. Ðåøåòíèêîâ Â. Ï. Ïî÷åìó íåáî òåìíîå. Êàê óñòðîåíà Âñåëåííàÿ. Ôðÿçèíî: Âåê 2, 2012. Ðî÷ Ô., Ãîðäîí Äæ. Ñâå÷åíèå íî÷íîãî íåáà. Ì.: Ìèð, 1977. Ñàìóñü Í. Í., Ñóðäèí Â. Ã. Íàáëþäàåìûå õàðàêòåðèñòèêè çâåçä è èõ êëàññèôèêàöèÿ // Çâåçäû. Ì.: Ôèçìàòëèò, 2008. C. 63–118. Ñóðäèí Â. Ã. Ïðèëèâíûå ÿâëåíèÿ âî Âñåëåííîé. Ì.: Çíàíèå, 1986. Ñóðäèí Â. Ã. Ãèãàíòñêèå ìîëåêóëÿðíûå îáëàêà. Ì.: Çíàíèå, 1990. Ñóðäèí Â. Ã. Ðîæäåíèå çâåçä. Ì.: ÓÐÑÑ, 2001. ×åðíèí À. Ä. Çâåçäû è ôèçèêà. Ì.: Êîìêíèãà, 2006. ×åðíèí À. Ä. Òåìíàÿ ýíåðãèÿ è âñåìèðíîå àíòèòÿãîòåíèå // Óñïåõè ôèç. íàóê. 2008. Ò. 178. ¹ 3. C. 267–300. Binney J., Merrifield M. Galactic astronomy. Princeton: Princeton Univ. Press, 1998. Chronology of the universe. Wikipedia, 2012. http://en.wikipedia.org/wiki/Chronology_of_the_universe. Moore P. The data book of astronomy. Bristol, Philadelphia: Institute of physics, 2000. P. 259. Ochsenbein F., Halbwachs J. L. Catalogue of the brightest stars // Bull. Inf. Centre Donnees Stellaires. 1987. Vol. 32. P. 83. Íîâàÿ âåðñèÿ äîñòóïíà â Ñòðàñáóðñêîé áàçå äàííûõ: http://adc.astro.umd.edu/adc-cgi/cat.pl?/catalogs/5/5053A/.
2. Ïðîáëåìà òðåõ òåë — áàíàëüíàÿ è çàãàäî÷íàÿ
Ãëàâà
ÏÐÎÁËÅÌÀ ÒÐÅÕ ÒÅË — ÁÀÍÀËÜÍÀß È ÇÀÃÀÄÎ×ÍÀß Â. Â. Îðëîâ, À. Â. Ðóáèíîâ
ñààê Íüþòîí â «Ìàòåìàòè÷åñêèõ íà÷àëàõ íàòóðàëüíîé ôèëîñîôèè» (1687) ïîêàçàë, ÷òî äâå ìàòåðèàëüíûå òî÷êè, ïðèòÿãèâàþùèå äðóã äðóãà ñ ñèëîé, îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíîé êâàäðàòó ðàññòîÿíèÿ ìåæäó íèìè, áóäóò äâèãàòüñÿ ïî êîíè÷åñêèì ñå÷åíèÿì (ýëëèïñàì, ãèïåðáîëàì, ïàðàáîëàì, îêðóæíîñòÿì èëè îòðåçêàì ïðÿìûõ). À ÷òî áóäåò, åñëè ìû äîáàâèì â ñèñòåìó åùå îäíî òåëî?
È
2.1. Äâà ïëþñ îäèí Íàä ýòèì âîïðîñîì óæå áîëåå 300 ëåò áüþòñÿ ëó÷øèå óìû ÷åëîâå÷åñòâà — ìàòåìàòèêè, ìåõàíèêè, ôèçèêè, àñòðîíîìû. Âåäü ýòà çàäà÷à èìååò ïðÿìîå ïðàêòè÷åñêîå çíà÷åíèå. Äâà âàæíåéøèõ äëÿ íàñ ñâåòèëà — Ñîëíöå è Ëóíà — âìåñòå ñ Çåìëåé êàê ðàç è ñîñòàâëÿþò ñèñòåìó èç òðåõ âçàèìîäåéñòâóþùèõ òåë, âëèÿíèåì îñòàëüíûõ ïëàíåò íà êîòîðóþ â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Òàêèå èçâåñòíûå èññëåäîâàòåëè, êàê Ëåîíàðä Ýéëåð, Æîçåô Ëóè Ëàãðàíæ, Àíðè Ïóàíêàðå, ïðèëîæèëè ðóêó ê ðåøåíèþ çàäà÷è òðåõ òåë — îäíîé èç çíàìåíèòûõ ïðîáëåì ìåõàíèêè. Áûëè ïîëó÷åíû íåêîòîðûå ÷àñòíûå àíàëèòè÷åñêèå ðåøåíèÿ ýòîé çàäà÷è.  1900 ã. øâåäñêèé àñòðîíîì Ýëèñ Ñòð¸ìãðåí (1870–1947) ïðåäñòàâèë ïåðâîå ÷èñëåííîå ðåøåíèå îäíîãî ÷àñòíîãî ñëó÷àÿ çàäà÷è òðåõ òåë. À â 1912 ã. ïîêàçàëîñü, ÷òî ïðîáëåìà óæå ïîëíîñòüþ ðåøåíà, êîãäà ôèíñêèé íåáåñíûé ìåõàíèê Êàðë Ôðèòüîô Ñóíäìàí (1873–1949) âûâåë àíàëèòè÷åñêèå ôîðìóëû äëÿ êîîðäèíàò òåë â âèäå ñõîäÿùèõñÿ ðÿäîâ ïî íåêîòîðîé ïåðåìåííîé, çàâèñÿùåé îò âðåìåíè. Îäíàêî ïîñëåäóþùèå îöåíêè ïîêàçàëè, ÷òî ñõîäèìîñòü ýòèõ ðÿäîâ óæàñíî ìåäëåííàÿ — äàæå äëÿ òàêîé ïðîñòîé òðîéíîé ñèñòåìû, êàê Ñîëíöå—Þïèòåð—Ñàòóðí, òðåáóåòñÿ èñïîëüçîâàòü íåâîîáðàçèìî áîëüøîå ~1080000 ÷èñëî ÷ëåíîâ, ÷òîáû ïîëó÷èòü êîîðäèíàòû ñ òî÷íîñòüþ â íåñêîëüêî ïðîöåíòîâ íà ïðîòÿæåíèè âñåãî ëèøü îäíîãî îáîðîòà Þïèòåðà. Ñ ÷åì æå ñâÿçàíà ñëîæíîñòü ðåøåíèÿ òàêîé íà ïåðâûé âçãëÿä ïðîñòîé çàäà÷è? ×òîáû ëó÷øå îñîçíàòü ýòî, ðàññìîòðèì ïðèìåð ýâîëþ-
2.1. Äâà ïëþñ îäèí
39
öèè òðîéíîé ñèñòåìû (ðèñ. 2.3). Âíà÷àëå òðè òåëà ñ ðàâíûìè ìàññàìè ðàñïîëàãàëèñü íà ïðèìåðíî îäèíàêîâûõ ðàññòîÿíèÿõ äðóã îò äðóãà è èìåëè íóëåâûå íà÷àëüíûå ñêîðîñòè. Íà ðèñóíêå ïîêàçàíû òðàåêòîðèè èõ äàëüíåéøåãî äâèæåíèÿ, ïîñòðîåííûå ïî ðåçóëüòàòàì ÷èñëåííîãî ðåøåíèÿ ñèñòåìû äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé äâèæåíèÿ. Î÷åâèäíî, ÷òî ýòî ïëîñêàÿ, 2-ìåðíàÿ çàäà÷à: ïîä äåéñòâèåì âçàèìíîãî ïðèòÿæåíèÿ âñå òðè òåëà âñåãäà áóäóò äâèãàòüñÿ â ïëîñêîñòè, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç èõ íà÷àëüíûå ïîëîæåíèÿ. Íî äàæå â ýòîì ñëó÷àå ðåçóëüòàò èõ âçàèìîäåéñòâèÿ òðóäíî áûëî áû ïðåäâèäåòü èíòóèÐèñ. 2.1. Ýëèñ Ñòð¸ìãðåí. òèâíî. Åäèíñòâåííîå, ÷òî ìîæíî ñêàçàòü íàâåðíÿêà: âñå òðè òåëà íå ìîãóò äàëåêî óëåòåòü ïîîäèíî÷êå, ïîñêîëüêó â íà÷àëüíûé ìîìåíò ïîëíàÿ ýíåðãèÿ ñèñòåìû îòðèöàòåëüíà (êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ðàâíà íóëþ, à ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ ãðàâèòàöèîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ïî îïðåäåëåíèþ ìåíüøå íóëÿ). Êàê âèäíî íà ðèñóíêå, âíà÷àëå ýòè òðè òåëà âûïèñûâàþò êëóáîê òðàåêòîðèé âáëèçè äðóã äðóãà, èñïûòûâàÿ ïðè ýòîì äâîéíûå è òðîéíûå òåñíûå ñáëèæåíèÿ. Çàòåì äâà èç òðåõ òåë îáúåäèíÿþòñÿ â ãðàâèòàöèîííî ñâÿçàííóþ Ðèñ. 2.2. Êàðë Ôðèòüîô Ñóíäìàí. äâîéíóþ ñèñòåìó è óäàëÿþòñÿ âëåâî, à òðåòüå òåëî, ïîëó÷èâ èìïóëüñ îòäà÷è, óëåòàåò âïðàâî. Ýíåðãèþ äëÿ ýòîãî «âûñòðåëà» ñèñòåìà ïîëó÷èëà çà ñ÷åò ãðàâèòàöèîííîé ýíåðãèè ñâÿçè äâîéíîé çâåçäû, îòëåòåâøåé âëåâî.  çâåçäíîé äèíàìèêå òàêîé ýïèçîä íàçûâàþò «ýôôåêòîì ãðàâèòàöèîííîé ðîãàòêè». Íî ýòîò «âûñòðåë» îêàçàëñÿ íåäîñòàòî÷íî ìîùíûì: äâîéíàÿ ñèñòåìà è îäèíî÷íàÿ çâåçäà ðàçâåðíóëèñü è âíîâü ñòàëè ñáëèæàòüñÿ.  ìîìåíò èõ òåñíîãî òðîéíîãî ñáëèæåíèÿ ñëó÷èëîñü çàìå÷àòåëüíîå ñîáûòèå: â äâîéíîé çâåçäå ïðîèçîøëà çàìåíà ïàðòíåðà — îäèíî÷íàÿ çâåçäà ñòàëà ÷ëåíîì äâîéíîé, à îäèí èç êîìïîíåíòîâ äâîéíîé ïîëó-
40
Ãëàâà 2. Ïðîáëåìà òðåõ òåë — áàíàëüíàÿ è çàãàäî÷íàÿ
Ðèñ. 2.3. Òðàåêòîðèè äâèæåíèÿ â íåóñòîé÷èâîé ñèñòåìå òðåõ òåë ðàâíûõ ìàññ, ýâîëþöèÿ êîòîðîé çàâåðøàåòñÿ ðàñïàäîì.
÷èë ñâîáîäó.  ðåçóëüòàòå ýòîãî îáìåíà äâîéíàÿ ñòàëà åùå áîëåå òåñíîé, à èçáûòîê ýíåðãèè ïðèâåë ê íîâîìó «âûñòðåëó»: íà ðèñóíêå äâîéíàÿ óñòðåìèëàñü ââåðõ, à îäèíî÷íàÿ — âíèç. Íà ñåé ðàç ýíåðãèè «âûñòðåëà» îêàçàëîñü äîñòàòî÷íî äëÿ òîãî, ÷òîáû äâîéíàÿ è îäèíî÷íàÿ íàâñåãäà ïîêèíóëè äðóã äðóãà. Ïîæàëóé, î÷åíü ñëîæíî íàéòè ãëàäêèå ôóíêöèè, ñïîñîáíûå îïèñàòü âñå ýòî ðàçíîîáðàçèå ñîñòîÿíèé â çàäà÷å òðåõ òåë. À âåäü ýòî òîëüêî îäèí èç âàðèàíòîâ ýâîëþöèè. Ïðè äðóãèõ íà÷àëüíûõ ïîëîæåíèÿõ è ñêîðîñòÿõ òåë ýâîëþöèÿ áóäåò ðàçâèâàòüñÿ ñîâñåì èíà÷å.  ÷àñòíîñòè, êðîìå ïîïóëÿöèè ðàñïàäàþùèõñÿ òðîéíûõ ñèñòåì åñòü óñòîé÷èâûå èåðàðõè÷åñêèå òðîéíûå ñèñòåìû, â êîòîðûõ îäíî èç òåë âñåãäà íàõîäèòñÿ íà çíà÷èòåëüíîì óäàëåíèè îò äâóõ äðóãèõ òåë è «âîñïðèíèìàåò» èõ êàê åäèíóþ ìàññó.  ñâîþ î÷åðåäü, äâà òåñíî ðàñ-
2.1. Äâà ïëþñ îäèí
41
ïîëîæåííûõ òåëà èñïûòûâàþò ïðàêòè÷åñêè îäèíàêîâîå óñêîðåíèå â ñòîðîíó äàëåêîãî òðåòüåãî òåëà, ÷òî ïî÷òè íå âëèÿåò íà âçàèìíîå äâèæåíèå äâóõ ïåðâûõ òåë. Ïîýòîìó â ñèñòåìå íå ïðîèñõîäèò òåñíûõ ñáëèæåíèé âñåõ òðåõ òåë, êîòîðûå ìîãëè áû èíèöèèðîâàòü ðàñïàä òðîéíîé ñèñòåìû. Ïðåäñòàâèì ñåáå, ÷òî âî Âñåëåííîé ñóùåñòâóåò òîëüêî îäíà èåðàðõè÷åñêàÿ óñòîé÷èâàÿ òðîéíàÿ ñèñòåìà. Òîãäà îíà áóäåò æèòü âå÷íî.  äåéñòâèòåëüíîñòè íà òðîéíûå ñèñòåìû çâåçä âîçäåéñòâóþò âíåøíèå âîçìóùåíèÿ, íàïðèìåð ïðîëåòàþùèå âáëèçè òðîéíîé ñèñòåìû çâåçäû ïîëÿ è ãàçîâûå îáëàêà, à òàêæå ðåãóëÿðíîå ïîëå Ãàëàêòèêè. Èç-çà ýòèõ âíåøíèõ âîçäåéñòâèé èåðàðõè÷åñêèå òðîéíûå çâåçäû òîæå ìîãóò ðàñïàäàòüñÿ. Âïðî÷åì, íå òîëüêî èåðàðõè÷åñêèå òðîéíûå ñèñòåìû ìîãóò áûòü óñòîé÷èâûìè. Íàïðèìåð, â Ñîëíå÷íîé ñèñòåìå òðè íàèáîëåå ìàññèâíûõ îáúåêòà — Ñîëíöå, Þïèòåð è Ñàòóðí — äâèæóòñÿ ïîä âëèÿíèåì âçàèìíîãî òÿãîòåíèÿ, ïî÷òè íå îùóùàÿ ïðèñóòñòâèÿ ïðî÷èõ ìåëêèõ îáúåêòîâ. Ïðè ýòîì òðîéíàÿ ñèñòåìà Ñîëíöå—Þïèòåð—Ñàòóðí íå îáëàäàåò ñèëüíîé èåðàðõèåé, òåì íå ìåíåå îíà óñòîé÷èâà. Äåëî â òîì, ÷òî îäèí èç ÷ëåíîâ ýòîé ñèñòåìû (Ñîëíöå) èìååò ìàññó, íà òðè ïîðÿäêà áóëüøóþ, ÷åì äâà äðóãèõ (Þïèòåð è Ñàòóðí). Äëÿ óñòîé÷èâîñòè òàêèõ ñèñòåì äîñòàòî÷íî äàæå íå î÷åíü ñèëüíîé èåðàðõèè. Îðáèòàëüíûå ïåðèîäû Ñàòóðíà è Þïèòåðà ðàçëè÷àþòñÿ âñåãî ëèøü â 2,5 ðàçà. Äðóãèå ïðèìåðû óñòîé÷èâûõ íåèåðàðõè÷åñêèõ òðîéíûõ ñèñòåì ñâÿçàíû ñ óñòîé÷èâûìè ïåðèîäè÷åñêèìè îðáèòàìè. Ñîãëàñíî òåîðèè Êîëìîãîðîâà—Àðíîëüäà—Ìîçåðà (ÊÀÌ-òåîðèè), â îêðåñòíîñòè óñòîé÷èâîãî ïåðèîäè÷åñêîãî ðåøåíèÿ ñóùåñòâóåò îáëàñòü, âñå òðàåêòîðèè â êîòîðîé íàâå÷íî (ïðè îòñóòñòâèè âíåøíèõ âîçìóùåíèé) «ïðèâÿçàíû» ê ýòîé îáëàñòè. Åñëè ìû âûáåðåì íà÷àëüíûå óñëîâèÿ (êîîðäèíàòû è ñêîðîñòè òåë) â äîñòàòî÷íî áëèçêîé îêðåñòíîñòè óñòîé÷èâîé ïåðèîäè÷åñêîé îðáèòû, òî òàêàÿ íåèåðàðõè÷åñêàÿ òðîéíàÿ ñèñòåìà íèêîãäà íå ñìîæåò ðàñïàñòüñÿ. Èçâåñòíî ìíîãî ïåðèîäè÷åñêèõ îðáèò â òðîéíûõ ñèñòåìàõ. Ïåðâûå ïåðèîäè÷åñêèå ðåøåíèÿ áûëè íàéäåíû åùå Ýéëåðîì (1767) è Ëàãðàíæåì (1772).  ýòèõ ñèñòåìàõ äâèæåíèÿ ïðîèñõîäÿò òàêèì îáðàçîì, ÷òî òåëà âñå âðåìÿ íàõîäÿòñÿ íà îäíîé âðàùàþùåéñÿ ïðÿìîé ëèíèè èëè â âåðøèíàõ ðàâíîñòîðîííåãî òðåóãîëüíèêà. Îäíàêî ýòè ðåøåíèÿ íåóñòîé÷èâû, åñëè ìàññû òåë ñðàâíèìû. Ñóùåñòâóþò òàêèå ïåðèîäè÷åñêèå ðåøåíèÿ, ïðè êîòîðûõ âñå òðè òåëà äâèæóòñÿ âäîëü îäíîé è òîé æå êðèâîé, íå ñòàëêèâàÿñü äðóã ñ äðóãîì. Òàêèå òðàåêòîðèè íàçûâàþò «õîðåîãðàôèÿìè» (Øåíñèíå è äð., 2002). Òðè óñòîé÷èâûå ïåðèîäè÷åñêèå îðáèòû äëÿ ñèñòåì ñ êîìïîíåíòàìè ðàâíûõ ìàññ ïðèâåäåíû íà ðèñ. 2.4, à â
42
Ãëàâà 2. Ïðîáëåìà òðåõ òåë — áàíàëüíàÿ è çàãàäî÷íàÿ
àíèìèðîâàííîì âèäå îíè (è ìíîãèå äðóãèå ðåøåíèÿ) ïðåäñòàâëå1 Òî÷êè ñîóäàðåíèÿ íû â î÷åíü èíòåðåñíîé ñòàòüå Àëåíà Øåíñèíå (Chenciner, 2007). y 0 Ïîñëåäíÿÿ èç ýòèõ îðáèò — «âîñüìåðêà» — ÿâëÿåòñÿ õîðåîãðàôèåé. Âî âñåõ òðåõ ñèñòåìàõ äâèæå–1 íèÿ ïðîèñõîäÿò â ïëîñêîñòè XY. –1 0 1 Ïðè ýòîì, ÷òî ëþáîïûòíî, âñå x ýòè ñèñòåìû îáëàäàþò íóëåâûì B Òî÷êè ñîóäàðåíèÿ ìîìåíòîì èìïóëüñà. 1 êðàéíèõ òåë  ñëó÷àå Øóáàðòà (von Schubart, 1956) îäíî èç òåë áåãàåò ìåy0 æäó äâóìÿ äðóãèìè âäîëü îäíîé è òîé æå ïðÿìîé, íà êîòîðîé ïîñòîÿííî ðàñïîëàãàþòñÿ âñå òðè Òî÷êè ðàçâîðîòà –1 öåíòðàëüíîãî òåëà òåëà (ïðÿìîëèíåéíàÿ çaäà÷à òðåõ òåë). Ïðè ýòîì öåíòðàëüíîå –1 0 1 x òåëî ïîïåðåìåííî ñòàëêèâàåòñÿ òî ñ ïðàâûì, òî ñ ëåâûì ñîñåäîì. C 1 Ïîñëå ñòîëêíîâåíèÿ òåëà óïðóãî îòñêàêèâàþò.  ìîäåëè Ð. Áðóêà (Broucke, 1979) îäíî èç òåë ñîâåðy0 øàåò ïåðèîäè÷åñêèå êîëåáàíèÿ âäîëü ïðÿìîé, ïåðïåíäèêóëÿðíîé îòðåçêó, ñîåäèíÿþùåìó äâà –1 äðóãèõ òåëà, è ïðîõîäÿùåé ÷å–1 0 1 x ðåç ñåðåäèíó ýòîãî îòðåçêà; òåëà Ðèñ. 2.4. Òðè óñòîé÷èâûå ïåðèîäè÷åñêèå âñå âðåìÿ íàõîäÿòñÿ â âåðøèíàõ îðáèòû â òðîéíûõ ñèñòåìàõ ñ òåëàìè ðàâíîáåäðåííîãî òðåóãîëüíèêà ðàâíûõ ìàññ: À — Øóáàðòà,  — Áðóêà, (ïëîñêàÿ ðàâíîáåäðåííàÿ çàäàÑ — îðáèòà-«âîñüìåðêà». Êðóæêàìè îòìå÷à òðåõ òåë).  ýòîì ïðèìåðå ÷åíû íà÷àëüíûå ïîëîæåíèÿ òåë, ñòðåëêàìè — íàïðàâëåíèå äâèæåíèÿ, êðåñòèêà- ñòàëêèâàþòñÿ òîëüêî äâà êðàéíèõ òåëà, à öåíòðàëüíîå èçáåãàìè — ìåñòà ñîóäàðåíèÿ. åò ñòîëêíîâåíèé.  ñèñòåìå, îïèñàííîé Ìóðîì, Øåíñèíå è Ìîíòãîìåðè (Moore, 1993; Chenciner, Montgomery, 2000), òðè òåëà äâèæóòñÿ äðóã çà äðóãîì âäîëü çàìêíóòîé êðèâîé, èìåþùåé ôîðìó âîñüìåðêè. Âî âñåõ òðåõ ñëó÷àÿõ íå ïðîèñõîäèò òåñíûõ òðîéíûõ ñáëèæåíèé, õîòÿ â ïåðâûõ äâóõ ñëó÷àÿõ ïðîèñõîäÿò äâîéíûå ñîóäàðåíèÿ, êîãäà A
2.2. Îò òåîðèè ê íàáëþäåíèÿì
43
äâà òåëà ñòàëêèâàþòñÿ ëîá â ëîá.  ðàìêàõ íåáåñíîé ìåõàíèêè ïðè ðåøåíèè àáñòðàêòíîé çàäà÷è òðåõ òî÷å÷íûõ ìàññ óäàåòñÿ ìàòåìàòè÷åñêè êîððåêòíî îïèñàòü äâîéíûå ñîóäàðåíèÿ. Äîêàçàíî, ÷òî ñóùåñòâóåò àíàëèòè÷åñêîå ïðîäîëæåíèå ðåøåíèé çà ìîìåíò ñîóäàðåíèÿ — òåëà ðàçëåòàþòñÿ êàê áèëüÿðäíûå øàðû ïîñëå àáñîëþòíî óïðóãîãî óäàðà. Ê ñîæàëåíèþ, òðîéíîå ñòîëêíîâåíèå íå óäàåòñÿ àíàëèòè÷åñêè ïðîäîëæèòü — ýòî ñóùåñòâåííàÿ îñîáåííîñòü ïîäîáíûõ çàäà÷. Ðàçóìååòñÿ, ïðîäåìîíñòðèðîâàííûå òðè ìîäåëè ïðåäñòàâëÿþò ÷èñòî òåîðåòè÷åñêèé èíòåðåñ. Çâåçäû è ïëàíåòû — íå áèëüÿðäíûå øàðû: ñòîëêíóâøèñü, îíè íå îòñêàêèâàþò íåâðåäèìûìè äðóã îò äðóãà. Åñëè ìû ðàññìàòðèâàåì ñòîëêíîâåíèå äâóõ ðåàëüíûõ çâåçä, òî íóæíî ó÷åñòü èõ êîíå÷íûå ðàçìåðû è ñîñòîÿíèå ãàçà, èç êîòîðîãî îíè ñîñòîÿò. ×èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå ñòîëêíîâåíèé çâåçä, íàïðèìåð â ðàáîòàõ Â. Áåíöà è Äæ. Õèëëñà (Benz, Hills, 1987), ïîêàçàëî, ÷òî ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ ìîæåò ïðîèçîéòè ñëèÿíèå äâóõ çâåçä â îäèí îáúåêò. Âîçìîæíî, èìåííî òàê îáðàçóþòñÿ çâåçäû «ãîëóáûå áðîäÿãè», î êîòîðûõ ïîéäåò ðå÷ü â ðàçäåëå 7.4.4 î çâåçäíûõ ñêîïëåíèÿõ. Èíòåðåñíî çàìåòèòü, ÷òî è â íåóñòîé÷èâûõ òðîéíûõ ñèñòåìàõ òåëà ìîãóò èíîãäà «çàëåòàòü» â îêðåñòíîñòü óñòîé÷èâîé ïåðèîäè÷åñêîé îðáèòû è çàäåðæèâàòüñÿ òàì íà äëèòåëüíîå âðåìÿ. Ýòî ÿâëåíèå íàçûâàåòñÿ «ïðèëèïàíèåì» (ñì., íàïðèìåð, Dvorak et al., 1999). Ôðàãìåíòû ýâîëþöèè òàêèõ «ëèïêèõ» òðàåêòîðèé ïîêàçàíû íà ðèñ. 2.5. Ñîñòîÿíèÿ «ïðèëèïàíèÿ» ìîæíî íàçâàòü ìåòàñòàáèëüíûìè, ïîñêîëüêó îíè ÿâëÿþòñÿ âðéìåííûìè. Ðàíî èëè ïîçäíî òðîéíàÿ ñèñòåìà âûõîäèò èç ýòîãî ñîñòîÿíèÿ, è åå ýâîëþöèÿ çàâåðøàåòñÿ âçàèìíûì ðàçëåòîì îäèíî÷íîãî òåëà è óñòîé÷èâîé äâîéíîé ñèñòåìû (êàê íà ðèñ. 2.3).
2.2. Îò òåîðèè ê íàáëþäåíèÿì Îäíàêî âîçíèêàåò âîïðîñ, êàêîå îòíîøåíèå àáñòðàêòíàÿ ìàòåìàòè÷åñêàÿ çàäà÷à òðåõ òåë èìååò ê íàáëþäàåìûì çâåçäíûì ñèñòåìàì? Îêàçûâàåòñÿ, èìååò, ïðè÷åì ñàìîå íåïîñðåäñòâåííîå. Äåëî â òîì, ÷òî ïî ìåíüøåé ìåðå 6% áëèæàéøèõ çâåçä â ïðåäåëàõ 25 ïàðñåêîâ îò Ñîëíöà âõîäÿò â ñîñòàâ òðîéíûõ ñèñòåì (Îðëîâ è Òèòîâ, 1994). Ýòî íå òàê óæ ìàëî — ïðèìåðíî 450 çâåçä èç îáùåãî ÷èñëà, îöåíèâàåìîãî ïðèìåðíî â 7300. Ïîäàâëÿþùåå áîëüøèíñòâî ýòèõ òðîéíûõ çâåçä, ïî-âèäèìîìó, ÿâëÿþòñÿ èåðàðõè÷åñêèìè è äèíàìè÷åñêè óñòîé÷èâûìè, ïîñêîëüêó õàðàêòåðíûå âðåìåíà ðàñïàäà òðîéíûõ ñèñòåì ñ ïîäîáíûìè ðàçìåðàìè íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ ìåíüøå èõ âîçðàñòîâ. Åñëè áû òðîéíûå ñèñòåìû áûëè íåóñòîé÷èâû, òî îíè óæå äàâíî áû ðàñïàëèñü íà äâîéíóþ ñèñòåìó è îäèíî÷íóþ çâåçäó.
44
Ãëàâà 2. Ïðîáëåìà òðåõ òåë — áàíàëüíàÿ è çàãàäî÷íàÿ
Îäíàêî â îáëàñòÿõ ñîâðåìåííîãî çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, ãäå òðîéíûå ñèñòåìû íåäàâíî ñôîðìèðîâàëèñü (íàðÿäó ñ ñèñòåìàìè áîëüøåé êðàòíîñòè), âïîëíå ìîãóò áûòü íåóñòîé÷èâûå íåèåðàðõè÷åñêèå ñèñòåìû (åùå èõ íàçûâàþò ñèñòåìàìè òèïà Òðàïåöèè Îðèîíà), äèíàìè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ êîòîðûõ â áóäóùåì çàâåðøèòñÿ ðàñïàäîì. Ìåæäó ïðî÷èì, óñòîé÷èâûå òðîéíûå çâåçäû ìîãóò ôîðìèðîâàòüñÿ ïðè ðàçðóøåíèè ìàëûõ ãðóïï çâåçä, ñîäåðæàùèõ âíà÷àëå áîëåå òðåõ êîìïîíåíòîâ (ñì., íàïðèìåð, Ðóáèíîâ è äð., 2002).  10–15% ñëó÷àåâ ýâîëþöèÿ íåóñòîé÷èâûõ ãðóïï çàâåðøàåòñÿ ôîðìèðîâàíèåì óñòîé÷èâûõ èåðàðõè÷åñêèõ òðîéíûõ ñèñòåì. Åùå îäèí èíòåðåñíûé âàðèàíò çàäà÷è òðåõ òåë — âçàèìîäåéñòâèå äâîéíûõ çâåçä ñ îäèíî÷íîé (èëè î÷åíü òåñíîé äâîéíîé) çâåçäîé ïîëÿ ïðè èõ ñëó÷àéíîì ñáëèæåíèè. Ôèçèêè íàçûâàþò òàêèå âñòðå÷è «ðàññåÿíèåì».  áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ðåçóëüòàòîì ðàññåÿíèÿ äâîéíîé çâåçäû íà îäèíî÷íîé ìîæåò áûòü ëèáî ðàçëåò ñ ñîõðàíåíèåì ÷ëåíîâ ïàðû, ëèáî ðàñïàä äâîéíîé ñ ïîñëåäóþùèì ðàçëåòîì òðåõ îäèíî÷íûõ çâåçä, ëèÐèñ. 2.5. Ôðàãìåíòû «ïðèëèïàíèÿ» òðàåêòî- áî îáìåí îäíîãî èç ÷ëåíîâ ïàðèé ê ïåðèîäè÷åñêèì îðáèòàì Øóáàðòà ðû íà îäèíî÷íóþ çâåçäó. Âïðî(À), Áðóêà (Â) è ê «âîñüìåðêå» (Ñ), ïîêàçàí- ÷åì, â çàâèñèìîñòè îò ïîëíîé íûì íà ðèñ. 2.4. ýíåðãèè ñèñòåìû, âîçìîæíû è
2.2. Îò òåîðèè ê íàáëþäåíèÿì
45
Ðèñ. 2.6. Ðàññåÿíèå äâîéíîé è îäèíî÷íîé çâåçä ñ îáìåíîì ÷ëåíà â ïàðå. Âñå òðè çâåçäû èìåþò îäèíàêîâûå ìàññû. Òðàåêòîðèè çâåçä ïðåäñòàâëåíû ëèíèÿìè èç òî÷åê, íàíåñåííûõ ÷åðåç ðàâíûå èíòåðâàëû âðåìåíè: ÷åì ðåæå ðàñïîëîæåíû òî÷êè, òåì áîëüøå ñêîðîñòü çâåçäû. Ñëåâà ââåðõó — äèàãðàììà, äåìîíñòðèðóþùàÿ ñëîæíóþ èñòîðèþ âçàèìîäåéñòâèÿ çâåçä — êîìïîíåíòîâ âðåìåííîé òðîéíîé ñèñòåìû. (Ïî: Hut, Bahcall, 1983.)
äðóãèå âàðèàíòû. Íî ÷åì áû íè êîí÷èëîñü âçàèìîäåéñòâèå, â ìîìåíò òåñíîãî ñáëèæåíèÿ çâåçä îáðàçóåòñÿ âðåìåííàÿ òðîéíàÿ ñèñòåìà (ðèñ. 2.6). Íå èìåÿ àíàëèòè÷åñêîãî ðåøåíèÿ çàäà÷è òðåõ òåë, àñòðîíîìû âûíóæäåíû ïðîâîäèòü òûñÿ÷è, à èíîãäà äàæå ìèëëèîíû êîìïüþòåðíûõ ýêñïåðèìåíòîâ ïî ðàññåÿíèþ äâîéíûõ è îäèíî÷íûõ çâåçä, ÷òîáû îïðåäåëèòü âåðîÿòíîñòü òîãî èëè èíîãî èñõîäà â çàâèñèìîñòè îò íà÷àëüíûõ ïàðàìåòðîâ âñòðå÷è. Çíàÿ «ýôôåêòèâíîå ñå÷åíèå» êàæäîãî èç âîçìîæíûõ ðåçóëüòàòîâ ðàññåÿíèÿ, ìîæíî ìîäåëèðîâàòü ýâîëþ-
46
Ãëàâà 2. Ïðîáëåìà òðåõ òåë — áàíàëüíàÿ è çàãàäî÷íàÿ
öèþ ïëîòíûõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé, ãäå âçàèìíîå ñáëèæåíèå äâóõ, òðåõ è äàæå ÷åòûðåõ çâåçä ïðîèñõîäèò äîâîëüíî ÷àñòî. Òàêèì îáðàçîì, íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå òðåõ òåë îïèñûâàåòñÿ ïðîñòûìè óðàâíåíèÿìè, ìíîæåñòâî ðåøåíèé ýòîé çàäà÷è âåñüìà îáøèðíî è ðàçíîîáðàçíî. Ñðåäè íèõ åñòü êàê î÷åíü ïðîñòûå îðáèòû (íàïðèìåð, ïåðèîäè÷åñêèå ðåøåíèÿ Ýéëåðà è Ëàãðàíæà), òàê è î÷åíü ñëîæíûå òðàåêòîðèè, òàêèå, êàê â ìåòàñòàáèëüíûõ ñèñòåìàõ.
Ëèòåðàòóðà Ìàðòûíîâà À. È., Îðëîâ Â. Â., Ðóáèíîâ À. Â., Ñîêîëîâ Ë. Ë., Íèêèôîðîâ È. È. Äèíàìèêà òðîéíûõ ñèñòåì. ÑÏá: Èçä-âî Ñàíêò-Ïåòåðáóðã. óí-òà, 2010. Îðëîâ Â. Â., Òèòîâ Î. À. // Àñòðîí. æóðí. 1994. Ò. 71. C. 525. Ðóáèíîâ À. Â., Ïåòðîâà À. Â., Îðëîâ Â. Â. // Àñòðîí. æóðí. 2002. Ò. 79. C. 1044. Øåíñèíå À., Ìîíòãîìåðè Ð., Ñèìî Ê., Äæåðâåð Äæ. // Ñîâðåìåííûå ïðîáëåìû õàîñà è íåëèíåéíîñòè. Ì.; Èæåâñê: Ðåãóëÿðíàÿ è õàîòè÷åñêàÿ äèíàìèêà., 2002. Ñ. 206. Benz W., Hills J. // Astrophys. J. 1987. Vol. 323. P. 628. Broucke R. // Astron. Astrophys. 1979. Vol. 73. P. 303. Chenciner A. (2007). Scholarpedia, 2(10):2111. http://www.scholarpedia.org/article/ Three_body_problem. Chenciner A., Montgomery R. // Ann. Math. 2000. Vol. 52. P. 881. Dvorak R., Contopoulos G., Efthymiopoulos Ch., Voglis N. // Planetary and Space Sci. 1999. Vol. 46. P. 1567. Hut P., Bahcall J. N. // Astrophys. J. 1983. Vol. 268. P. 319. Moore C. // Phys. Rev. Lett. Vol. 70. P. 3675. Strømgren E. // Meddelanden frän Lunds Astronomiska Observatorium. 1900. Vol. 1, ¹ 13. P. 115. Sundman K. F. // Acta Math. 1912. Vol. 36. P. 105. Von Schubart J. // Astron. Nachr. 1956. Vol. 283. P. 17.
3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
Ãëàâà
ÄÈÍÀÌÈÊÀ ÑÈÑÒÅÌÛ ÇÂÅÇÄ Ë. Ï. Îñèïêîâ
3.1. Äâèæåíèå Ñîëíöà  1718 ã. Ýäìóíä Ãàëëåé (íàçíà÷åííûé ÷åðåç äâà ãîäà Êîðîëåâñêèì àñòðîíîìîì) îòêðûë âèäèìûå ïåðåìåùåíèÿ îäíèõ çâåçä îòíîñèòåëüíî äðóãèõ. Âíà÷àëå ýòè ñîáñòâåííûå äâèæåíèÿ, êàê èõ ñòàëè ïîçæå íàçûâàòü, áûëè îáíàðóæåíû âñåãî ó òðåõ çâåçä (Àëüäåáàðàí, Àðêòóð, Ñèðèóñ), íî óæå ê êîíöó XVIII â. ñòàëî ÿñíî, ÷òî âçàèìíî ïåðåìåùàþòñÿ âñå çâåçäû, ïðåæäå ñ÷èòàâøèåñÿ «íåïîäâèæíûìè». Âñòàë âîïðîñ î ïðèðîäå ýòèõ äâèæåíèé. Âûÿñíèëîñü, ÷òî îíè íå îáúÿñíÿþòñÿ îòêðûòûìè ê òîìó âðåìåíè ïðåöåññèåé, íóòàöèåé è àáåððàöèåé ñâåòà (ò. å. ÿâëåíèÿìè, ñâÿçàííûìè ñ äâèæåíèåì Çåìëè). Åñòåñòâåííî áûëî ñ÷èòàòü, ÷òî îñòàâøàÿñÿ ïîñëå èõ ó÷åòà ÷àñòü ñîáñòâåííûõ äâèæåíèé â íàèáîëüøåé ñòåïåíè îòðàæàåò ïåðåìåùåíèå â ïðîñòðàíñòâå ñàìîãî Ñîëíöà âìåñòå ñ åãî ïëàíåòíîé ñèñòåìîé (ðèñ. 3.1). Âïîñëåäñòâèè ýòî ìíåíèå ïîäòâåðäèëîñü. Íî ðàç äâèæåòñÿ Ñîëíöå, êîòîðîå ñ÷èòàåòñÿ ðÿäîâîé çâåçäîé, òî ñëåäóåò îæèäàòü, ÷òî äâèæóòñÿ è âñå îñòàëüíûå çâåçäû. Ñîâðåìåííûå êàòàëîãè ñîáñòâåííûõ äâèæåíèé âêëþ÷àþò ìèëëèîíû çâåçä.  ðåçóëüòàòå ðàáîòû àñòðîìåòðè÷åñêîãî ñïóòíèêà «Hipparcos» (ÅÊÀ) â 1989–1993 ãã. áûëè ñ âûñîêîé òî÷íîñòüþ èçìåðåíû ñîáñòâåííûå äâèæåíèÿ ñâûøå 100 000 çâåçä. Áîëüøèå íàäåæäû àñòðîíîìû âîçëàãàþò ñåé÷àñ íà ñïóòíèê «Gaia» (ÅÊÀ), çàïóñê êîòîðîãî ïëàíèðóåòñÿ íà 2013 ã. Îí äîëæåí ñ åùå áîëåå âûñîêîé òî÷íîñòüþ èçìåðèòü ïîëîæåíèÿ è äâèæåíèÿ ñâûøå 1 ìëðä çâåçä â íàøåé Ãàëàêòèêå è åå ñîñåäÿõ.  1783 ã. îñíîâîïîëîæíèê ãàëàêòè÷åñêîé àñòðîíîìèè Âèëüÿì Ãåðøåëü, èñïîëüçóÿ ñîáñòâåííûå äâèæåíèÿ âñåãî 13 çâåçä, âïåðâûå îïðåäåëèë ïîëîæåíèå àïåêñà (apex), ò. å. òî÷êè íà íåáåñíîé ñôåðå, ê êîòîðîé íàïðàâëåíà ñêîðîñòü Ñîëíöà. Ïî Ãåðøåëþ, ýêâàòîðèàëüíûå êîîðäèíàòû àïåêñà (AA è DA) ñîñòàâèëè: AA = 262°, DA = +25°. Ýòà òî÷êà íà íåáå ðàñïîëàãàåòñÿ íåäàëåêî îò Âåãè, à ïðîòèâîëåæàùàÿ åé òî÷êà (antapex) îêàçàëàñü íåäàëåêî îò Ñèðèóñà. Áëèçêèå çíà÷åíèÿ ïîëó-
48
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä Ñêîðîñòü Ñîëíöà
a
á
Ñîëíöå
Ñîëíöå
Ðèñ. 3.1. Îòðàæåíèå äâèæåíèÿ Ñîëíöà â íàáëþäàåìûõ ñêîðîñòÿõ çâåçä: à — åñëè Ñîëíöå íåïîäâèæíî, òî ñêîðîñòè ñîñåäíèõ õàîòè÷åñêè äâèæóùèõñÿ çâåçä íå èìåþò ïðåäïî÷òèòåëüíîãî íàïðàâëåíèÿ; á — åñëè Ñîëíöå äâèæåòñÿ íà ðèñóíêå âïðàâî, òî ñêîðîñòè çâåçä èìåþò ïðåäïî÷òèòåëüíîå íàïðàâëåíèå âëåâî.
÷èë â òîì æå ãîäó ôðàíöóçñêèé àñòðîíîì Ï. Ïðåâî ïî ñîáñòâåííûì äâèæåíèÿì 80 çâåçä. Îêîí÷àòåëüíî ñóùåñòâîâàíèå àïåêñà óñòàíîâèë â 1837 ã. Ô. Àðãåëàíäåð, ðàáîòàâøèé â òî âðåìÿ â Àáî (íûíå — Òóðêó, Ôèíëÿíäèÿ). Îí ïðîàíàëèçèðîâàë ñîáñòâåííûå äâèæåíèÿ óæå 390 çâåçä.  1843 ã. ïóëêîâñêèé àñòðîíîì Õ. Ïåòåðñ âïåðâûå îöåíèë ëèíeéíóþ ñêîðîñòü Ñîëíöà VA (Â. Ãåðøåëü íå ñìîã ñäåëàòü ýòîãî, òàê êàê â òî âðåìÿ åùå íå áûëè èçâåñòíû ðàññòîÿíèÿ äî çâåçä). À ïåðâîå íàäåæíîå îïðåäåëåíèå ýòîé âåëè÷èíû ïðèíàäëåæèò àìåðèêàíñêîìó àñòðîíîìó Óèëüÿìó Êýìïáåëëó (1910), èñïîëüçîâàâøåìó ñ ýòîé öåëüþ ëó÷åâûå ñêîðîñòè çâåçä, ò. å. ïðîåêöèè âåêòîðîâ ñêîðîñòè çâåçä íà ëó÷ çðåíèÿ íàáëþäàòåëÿ, êîòîðûå èçìåðÿþò ïî ñìåùåíèþ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé (ýôôåêò Äîïëåðà).  íàñòîÿùåå âðåìÿ ïðèíÿòû ñëåäóþùèå ýêâàòîðèàëüíûå êîîðäèíàòû ñòàíäàðòíîãî àïåêñà — òî÷êè, â íàïðàâëåíèè êîòîðîé äâèæåòñÿ Ñîëíöå îòíîñèòåëüíî áëèæàéøèõ (ò. å. ÿðêèõ) çâåçä: AA = 270° (ò. å. 18h), DA = +30°.  ãàëàêòè÷åñêèõ êîîðäèíàòàõ ýòî l = 57° è b = 22° (âñå çíà÷åíèÿ ïðèâåäåíû ñ òî÷íîñòüþ äî ãðàäóñà). Ñêîðîñòü Ñîëíöà îòíîñèòåëüíî ýòèõ çâåçä VA = 19,5 êì/ñ. Ñ ñîâðåìåííîé òî÷êè çðåíèÿ ïîíÿòèå ñòàíäàðòíîãî àïåêñà íå èìååò áîëüøîãî ñìûñëà. Åùå â 1922 ã. Ã. Ñòð¸ìáåðã çàìåòèë, ÷òî ñêîðîñòü Ñîëíöà ïî îòíîøåíèþ ê ôèçè÷åñêè ðàçëè÷íûì ãðóïïàì çâåçä çàìåòíî ðàçëè÷àåòñÿ: îíà ìàêñèìàëüíà îòíîñèòåëüíî øàðîâûõ ñêîïëåíèé è ìèíèìàëüíà îòíîñèòåëüíî çâåçä äèñêà Ãàëàêòèêè. Ðàçìûøëÿÿ íàä ïðè÷èíîé ýòîãî ÿâëåíèÿ, øâåäñêèé àñòðîíîì Áåðòèëü Ëèíäáëàä (1927) ïðèøåë ê ñëåäóþùåé ñõåìå íàøåé çâåçäíîé ñèñòåìû.
49
3.1. Äâèæåíèå Ñîëíöà
Ðèñ. 3.2. ßí Îîðò.
Ãàëàêòèêà ñîñòîèò èç áîëüøîãî ÷èñëà ïîäñèñòåì, ðàçëè÷àþùèõñÿ êàê ñâîèì ñòðîåíèåì (íàïðèìåð, ñïëþñíóòîñòüþ), òàê è êèíåìàòèêîé. Êàæäàÿ ïîäñèñòåìà âðàùàåòñÿ âîêðóã öåíòðà Ãàëàêòèêè ñî ñâîåé ñêîðîñòüþ. Ñèëüíî ñïëþñíóòûå, ïî÷òè ïëîñêèå, ïîäñèñòåìû âðàùàþòñÿ áûñòðåå âñåãî, à ïîäñèñòåìà øàðîâûõ ñêîïëåíèé — ìåäëåííåå îñòàëüíûõ. Ïî÷òè ñðàçó æå ãîëëàíäñêèé àñòðîíîì ßí Îîðò ïðèâåë íåïîñðåäñòâåííûå íàáëþäàòåëüíûå ïîäòâåðæäåíèÿ ñõåìû Ëèíäáëàäà, à ýòî îçíà÷àëî îòêðûòèå âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè — îäíî èç âåëè÷àéøèõ îòêðûòèé â ãàëàêòè÷åñêîé àñòðîíîìèè. Îîðò âïåðâûå îöåíèë ñêîðîñòü âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà è ñäåëàë âûâîäû î ñòðîåíèè Ãàëàêòèêè. Ïàâåë Ïåòðîâè÷ Ïàðåíàãî (1950) îáíàðóæèë, ÷òî âñå êèíåìàòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè çâåçä ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè, âêëþ÷àÿ è ïàðàìåòðû äâèæåíèÿ Ñîëíöà, ïðåòåðïåâàþò ðåçêèå èçìåíåíèÿ â ñïåêòðàëüíîì êëàññå F: ñêîðîñòü VA è AA íà ïðîòÿæåíèè êëàññà F âîçðàñòàþò, à ñêëîíåíèå DA óáûâàåò, à çàòåì äëÿ ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ G, K, è M ýòè âåëè÷èíû îñòàþòñÿ áåç ñóùåñòâåííûõ èçìåíåíèé. Ýòî ÿâëåíèå, ïîäòâåðæäåííîå è ñîâðåìåííûìè èññëåäîâàíèÿìè, ïîëó÷è-
50
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
ëî íàçâàíèå ðàçðûâ Ïàðåíàãî. Îáùåïðèíÿòîãî îáúÿñíåíèÿ åìó äî ñèõ ïîð íå íàéäåíî. Âåðíåìñÿ ê äâèæåíèþ Ñîëíöà. Ñ îäíîé ñòîðîíû, ìîæíî ãîâîðèòü î äâèæåíèè Ñîëíöà îòíîñèòåëüíî òîé èëè èíîé ïîäñèñòåìû. Ñðàâíåíèå ýòèõ âåëè÷èí ïîçâîëÿåò ïîñòðîèòü êàðòèíó îòíîñèòåëüíûõ äèôôåðåíöèàëüíûõ äâèæåíèé ãàëàêòè÷åñêèõ ïîäñèñòåì. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, íàäî çíàòü ñêîðîñòü Ñîëíöà â ñèñòåìå êîîðäèíàò, îäèíàêîâîé äëÿ âñåõ ïîäñèñòåì. Ñ ýòîé öåëüþ ïðîùå âñåãî ðàññìîòðåòü òî÷êó, êîòîðàÿ â îêÐèñ. 3.3. Ï. Ï. Ïàðåíàãî. ðåñòíîñòè Ñîëíöà äâèãàëàñü áû îòíîñèòåëüíî öåíòðà Ãàëàêòèêè ïî êðóãîâîé îðáèòå, è îïðåäåëèòü îòíîñèòåëüíî íå¸ ñêîðîñòü Ñîëíöà V0 = (U0, V0, W0). Çäåñü U0 — êîìïîíåíò ñêîðîñòè Ñîëíöà, íàïðàâëåííûé â ñòîðîíó öåíòðà Ãàëàêòèêè, V0 — â íàïðàâëåíèè âðàùåíèÿ äèñêà Ãàëàêòèêè, W0 — ïåðïåíäèêóëÿðíî ïëîñêîñòè äèñêà â íàïðàâëåíèè ñåâåðíîãî ïîëþñà Ãàëàêòèêè. Òàêóþ òî÷êó íàçûâàþò ìåñòíûì ñòàíäàðòîì ïîêîÿ (local standard of rest, LSR). Îòìåòèì, ÷òî â ñòàðîé çàðóáåæíîé ëèòåðàòóðå ýòîò òåðìèí èñïîëüçîâàëñÿ â íåñêîëüêî èíîì ñìûñëå. Ïî äàííûì Â. Äåíåíà è Äæ. Áèííè (1998), U0 = 10,0 ± 0,4 êì/ñ, V0 = 5,2 ± 0,6 êì/ñ, W0 = 7,2 ± 0,4 êì/ñ.
Êàê âèäèì, âåëè÷èíà ñêîðîñòè Ñîëíöà îòíîñèòåëüíî ìåñòíîãî ñòàíäàðòà ïîêîÿ |V0| = 13,4 êì/ñ, ò. å. çàìåòíî ìåíüøå, ÷åì îòíîñèòåëüíî áëèæàéøèõ çâåçä. Åñëè çíàòü êðóãîâóþ ñêîðîñòü Vc ìåñòíîãî ñòàíäàðòà ïîêîÿ îòíîñèòåëüíî öåíòðà Ãàëàêòèêè, íåòðóäíî ïåðåéòè ê ãàëàêòîöåíòðè÷åñêîé ñêîðîñòè Ñîëíöà, à çàòåì è äðóãèõ çâåçä. Ïðàâèëüíåå âñåãî áûëî áû èñïîëüçîâàòü ñ ýòîé öåëüþ èçìåðåíèå ñêîðîñòåé âíåãàëàêòè÷åñêèõ îáúåêòîâ. Ê ñîæàëåíèþ, Vc îïðåäåëÿåòñÿ âåñüìà íåóâåðåííî.  ïîñëåäíåå âðåìÿ îáû÷íî ïîëàãàþò Vc » 220 êì/ñ. Òîãäà ïåðèîä îáðàùåíèÿ ìåñòíîãî ñòàíäàðòà ïîêîÿ îòíîñèòåëüíî öåíòðà Ãàëàêòèêè P = 2pR0/Vc , ãäå R0 — ðàññòîÿíèå îò öåíòðà Ãàëàêòèêè äî Ñîëíöà (èçìåðåííîå ïîêà íå î÷åíü òî÷íî). Ïðèíèìàÿ R0 = 8 êïê è Vc = 220 êì/ñ, íàõîäèì, ÷òî P » 223 ìëí ëåò.
3.2. Îñòàòî÷íûå ñêîðîñòè. Ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé
51
3.2. Îñòàòî÷íûå ñêîðîñòè. Ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé Èòàê, âñå çâåçäû äâèæóòñÿ. ßâëÿþòñÿ ëè ýòè äâèæåíèÿ ñîâåðøåííî áåñïîðÿäî÷íûìè, êàê äâèæåíèÿ ìîëåêóë â ãàçå èëè îòäåëüíûõ ï÷åë âíóòðè ï÷åëèíîãî ðîÿ? Äâèæåíèå êàæäîé ï÷åëû êàæåòñÿ õàîòè÷åñêèì, íî ðîé â öåëîì ïåðåìåùàåòñÿ â ïðîñòðàíñòâå. Ìîæíî îæèäàòü, ÷òî ïîäîáíîå ïðîèñõîäèò è â Ãàëàêòèêå. Ïóñòü ui — ñêîðîñòü i-é çâåçäû îòíîñèòåëüíî öåíòðà Ãàëàêòèêè â íàïðàâëåíèè íà åå öåíòð, vi — êîìïîíåíò ñêîðîñòè â ýêâàòîðèàëüíîé ïëîñêîñòè, ïåðïåíäèêóëÿðíûé ê ui, à wi — êîìïîíåíò ñêîðîñòè çâåçäû, ïåðïåíäèêóëÿðíûé ê ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè. Âûäåëèì â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà n çâåçä êàêîãî-ëèáî ôèçè÷åñêîãî òèïà. Âû÷èñëèì ñðåäíèå âåëè÷èíû: n n n 1 1 1 U = å u i , V = å vi , W = å w i . n i =1 n i =1 n i =1 Êàêîâ ñìûñë ýòèõ âåëè÷èí? Åñëè U > 0, òî ýòî çíà÷èò, ÷òî äàííàÿ ïîäñèñòåìà ñæèìàåòñÿ ê öåíòðó Ãàëàêòèêè, à åñëè U < 0, òî, íàïðîòèâ, âûäåëåííàÿ ïîäñèñòåìà ðàñøèðÿåòñÿ. Åñëè W ¹ 0, òî ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ïîäñèñòåìà êàê öåëîå «ïîäñêàêèâàåò» íàä ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòüþ. Ïî èìåþùèìñÿ äàííûì, â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè äëÿ âñåõ ïîäñèñòåì U » 0 è W » 0. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè Ãàëàêòèêà ñòàöèîíàðíà.  òî æå âðåìÿ ñðåäíÿÿ ñêîðîñòü |V| ¹ 0, è äëÿ çâåçä ïëîñêèõ ïîäñèñòåì Ãàëàêòèêè |V| áëèçêî ê Vc. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ïîäñèñòåìû Ãàëàêòèêè âðàùàþòñÿ ñ óãëîâîé ñêîðîñòüþ w = V/R0. Çíàíèå ñðåäíåé ñêîðîñòè, èëè ñêîðîñòè öåíòðîèäà (U, V, W ) ðàçëè÷íûõ ïîäñèñòåì íåîáõîäèìî, íî åùå íå äîñòàòî÷íî äëÿ ïîíèìàíèÿ çâåçäíûõ äâèæåíèé â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà. Ðàññìîòðèì äëÿ i-é çâåçäû ðàçíîñòè ui¢ = ui - U; vi¢ = vi -V è w i¢ = w i -W . Èõ íàçûâàþò êîìïîíåíòàìè îñòàòî÷íîé ñêîðîñòè i-é çâåçäû. Îñòàòî÷íûå ñêîðîñòè àíàëîãè÷íû òåïëîâûì ñêîðîñòÿì ìîëåêóë â ãàçå èëè ïîòîêå æèäêîñòè. Ñâîéñòâà Ãàëàêòèêè è äðóãèõ çâåçäíûõ ñèñòåì â áîëüøîé ñòåïåíè îïðåäåëÿþòñÿ òåì, êàêîâî ðàñïðåäåëåíèå èõ îñòàòî÷íûõ ñêîðîñòåé. Âåðíåìñÿ ê ïðèìåðó ñ ðîåì ï÷åë. Ñêîðîñòü äâèæåíèÿ ðîÿ êàê öåëîãî — ýòî ñêîðîñòü öåíòðîèäà, à ñêîðîñòü ï÷åëû îòíîñèòåëüíî öåíòðà ðîÿ — îñòàòî÷íàÿ ñêîðîñòü. Åñëè ðîé ïðè ýòîì âðàùàåòñÿ èëè ïîâîðà÷èâàåòñÿ, òî â ñêîðîñòü öåíòðîèäà íàäî âêëþ÷èòü è ñêîðîñòü òàêîãî ïåðåìåùåíèÿ. Ðàññìîòðèì ñòðóþ âîäû. Ñêîðîñòü ñòðóè — ñêîðîñòü öåíòðîèäà, à ñêîðîñòü ìîëåêóëû âîäû îòíîñèòåëüíî ñêîðîñòè ñòðóè â äàííîé òî÷êå — åå îñòàòî÷íàÿ (òåïëîâàÿ) ñêîðîñòü.
52
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
Ðèñ. 3.4. Ãèñòîãðàììà ðàñïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòåé çâåçä-êàðëèêîâ ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ K è M. Ñêîðîñòè äàíû îòíîñèòåëüíî ìåñòíîãî ñòàíäàðòà ïîêîÿ.
Ïðåäñòàâèì èäåàëüíûé ñëó÷àé, êîãäà âñå îñòàòî÷íûå ñêîðîñòè ðàâíû íóëþ. Ó âñåõ çâåçä îäíà è òà æå ñêîðîñòü, ðàâíàÿ Vc, è îíè äâèæóòñÿ êàê ñîëäàòû â ñòðîþ, îáõîäÿ Ãàëàêòèêó çà âðåìÿ P. Òîãäà ãîâîðÿò î ìîäåëè «õîëîäíîãî äèñêà», êîòîðàÿ èñïîëüçóåòñÿ â íåêîòîðûõ òåîðåòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèÿõ. Íåòðóäíî âîîáðàçèòü áîëåå îáùèé ñëó÷àé, êîãäà ó ïîëîâèíû çâåçä ñêîðîñòè áóäóò ðàâíû vi = V + s, à ó äðóãîé ïîëîâèíû vi = V – s, ãäå s — ïðîèçâîëüíàÿ âåëè÷èíà (íå ñëèøêîì áîëüøàÿ, ÷òîáû çâåçäû íå óëåòåëè èç ñèñòåìû). Åñëè s = 0, òî âåðíåìñÿ ê ìîäåëè «õîëîäíîãî äèñêà». Î÷åâèäíî, ÷òî ñðåäíÿÿ ñêîðîñòü áóäåò ðàâíà 1 n
én (V + s ) + n (V - s )ù = V . êë2 úû 2
 äåéñòâèòåëüíîñòè ðàñïðåäåëåíèå îñòàòî÷íûõ ñêîðîñòåé çâåçä â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà ÿâëÿåòñÿ, êîíå÷íî, áîëåå ñëîæíûì (ðèñ. 3.4). Ðàñïðåäåëåíèå u- è w-ñêîðîñòåé, à â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè äëÿ îäíîðîäíûõ ãðóïï — è v-ñêîðîñòåé, ìîæíî àïïðîêñèìèðîâàòü òàê íàçûâàåìûì íîðìàëüíûì çàêîíîì (ãàóññèàíîé), êîòîðîìó ñëåäóåò ðàñïðåäåëåíèå ìíîãèõ ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí. Åñëè fu du — ÷èñëî çâåçä, ó êîòîðûõ êîìïîíåíò ñêîðîñòè â íàïðàâëåíèè ê öåíòðó Ãàëàêòèêè çàêëþ÷åí ìåæäó u è u + du, òî òîãäà u2
2 n f u (u ) du = e 2 s u du, 2 psu
ãäå âåëè÷èíà su õàðàêòåðèçóåò ðàçáðîñ çíà÷åíèé ñêîðîñòè.  ïðåäåëå su ® 0 îñòàòî÷íûå ñêîðîñòè ðàâíû íóëþ. Àíàëîãè÷íî
53
3.2. Îñòàòî÷íûå ñêîðîñòè. Ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé
n f v (v) dv = e 2 psv
( v -V ) 2 2 s 2v
d v,
w2
2 n f w (w ) dw = e 2 s w dw. 2 psw
Âåëè÷èíû s2u , s2v , s2w íàçûâàþò äèñïåðñèÿìè îñòàòî÷íûõ ñêîðîñòåé. Íåòðóäíî íàéòè, ÷òî åñëè ÷èñëî çâåçä n . 1 (òàê ÷òî ñëó÷àéíûìè ôëóêòóàöèÿìè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü), òî su2 =
n
n
n
1 1 1 u ¢ 2 , s2v = å v¢ 2 , s2w = å w ¢ 2 , å n i =1 n i =1 n i =1
ò. å. äèñïåðñèè ÿâëÿþòñÿ ñðåäíèìè êâàäðàòàìè îñòàòî÷íûõ ñêîðîñòåé. Ïîñëåäíåå îïðåäåëåíèå äèñïåðñèé ñêîðîñòåé ñîõðàíÿåò ñìûñë è òîãäà, êîãäà ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé íå ñëåäóåò ñòðîãî íîðìàëüíîìó çàêîíó.  ðàçíûå ãîäû ìíîãèå àâòîðû ïðåäëàãàëè èíûå, îòëè÷íûå îò íîðìàëüíîãî çàêîíà, àïïðîêñèìàöèè äëÿ ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòåé. Íî îáû÷íî èñïîëüçóåòñÿ èìåííî íîðìàëüíûé çàêîí. ×àñòî ðàññìàòðèâàåòñÿ ïîëíàÿ äèñïåðñèÿ ñêîðîñòåé s2 = s2u + s2v + s2w . Âåëè÷èíû su , sv , sw íàçûâàþò ñðåäíåêâàäðàòè÷íûìè ñêîðîñòÿìè. Åñëè ðàññìîòðåòü ïðîñòðàíñòâî ïåðåìåííûõ u, v, w (ïðîñòðàíñòâî ñêîðîñòåé) è ïîñòðîèòü â íåì ïîâåðõíîñòè îäèíàêîâûõ ïëîòíîñòåé êîíöîâ âåêòîðîâ ñêîðîñòåé, òî ïîëó÷èì ýëëèïñîèäû (ðèñ. 3.5). Ïîýòîìó ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé ñîãëàñíî ïðèâåäåííûì âûøå ôîðìóëàì íàçûâàþò ýëëèïñîèäàëüíûì. Ïåðâûì åãî ïðåäëîæèë íåìåöêèé àñòðîíîì Êàðë Øâàðöøèëüä â 1907 ã., ïîýòîìó òàêîå ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé íàçûâàþò òàêæå øâàðöøèëüäîâñêèì.  ñëó÷àå ðàâåíñòâà äèñïåðñèé ñêîðîñòåé, s2u = s2v = s2w , ðàñïðåäåëåíèå îñòàòî÷íûõ ñêîðîñòåé íàçûâàþò ñôåðè÷åñêèì, èëè èçîòðîïíûì, â ïðîòèâíîì ñëó÷àå ãoâîðÿò îá àíèçîòðîïèè èõ ðàñïðåäåëåíèÿ. Èçîòðîïíûì ÿâëÿåòñÿ, íàïðèìåð, ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé ìîëåêóë â ãàçå. Òîãäà ÷èñëî ìîëåêóë, ó êîòîðûõ àáñîëþòíàÿ âåëè÷èíà ñêîðîñòè çàêëþ÷åíà ìåæäó c è c + dc, Ðèñ. 3.5. Ýëëèïñîèäàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå ñêîïðîïîðöèîíàëüíî c 2e
-
c2 2 vm
dc,
ðîñòåé. Ñòðåëêè ïîêàçûâàþò íàïðàâëåíèÿ è âåëè÷èíû ñêîðîñòåé çâåçä, çàêëþ÷åííûõ â îêðåñòíîñòè íåêîòîðîé òî÷êè.
54
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
2 ãäå vm =2s2 = 2 ( su2 + s2v + s2v ) = 6s2u . Òàêîå ðàñïðåäåëåíèå íàçûâàåòñÿ ìàêñâåëëîâñêèì (ðèñ. 3.6). Íåòðóäíî íàéòè, ÷òî vm ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå âåðîÿòíîé ñêîðîñòüþ.  òåîðèè ãàçîâ ïîêàçûâàåòñÿ, ÷òî s2= kT/m, ãäå k — ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà, T — òåìïåðàòóðà ãàçà, m — ìàññà ìîëåêóëû ãàçà. Ñîçäàòåëü ãàçîêèíåòè÷åñêîé òåîðèè Ëþäâèã Áîëüöìàí óñòàíîâèë, ÷òî ìàêñâåëëîâñêîå ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé ìîëåêóë óñòàíàâëèâàåòñÿ â ðåçóëüòàòå èõ âçàèìîäåéñòâèÿ. Äî êîíöà XIX â. ñ÷èòàëîñü, ÷òî è ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé çâåçä â Ãàëàêòèêå ÿâëÿåòñÿ ñôåðè÷åñêèì. Îòêðûòèå àíèçîòðîïèè ðàñïðåäåëåíèÿ çâåçäíûõ ñêîðîñòåé ïðîèçâåëî âïå÷àòëåíèå êàòàñòðîôû. Äèíàìèêà çâåçäíûõ ñèñòåì âîçíèêëà â ïîïûòêàõ îáúÿñíèòü åå. Äëÿ çâåçä ïëîñêèõ ïîäñèñòåì Ãàëàêòèêè äèñïåðñèè ñêîðîñòåé ÿâëÿþòñÿ íàèìåíüøèìè, äëÿ íèõ sv » 15 êì/ñ.  òî æå âðåìÿ äëÿ òàêèõ îáúåêòîâ ñôåðè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé, êàê êîðîòêîïåðèîäè÷åñêèå ïåðåìåííûå çâåçäû è ñóáêàðëèêè, sv äîñòèãàåò çíà÷åíèé 100 êì/ñ è äàæå 150 êì/ñ. Äëÿ áîëüøèíñòâà ïîäñèñòåì Ãàëàêòèêè sv/su » 0,6 è sw/su » 0,5. Èçâåñòíî ýìïèðè÷åñêîå ñîîòíîøåíèå (Ã. Ñòð¸ìáåðã, 1922)
Vc — V = as 2u ,
ãäå a — êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè. Ñåé÷àñ ïðèíèìàþò a » 0,125 ñ/êì. Ýòà çàâèñèìîñòü íàõîäèò îáúÿñíåíèå â êëàññè÷åñêîé äèíàìèêå çâåçäíûõ ñèñòåì. Ñèëüíî óïðîùàÿ è ïîëüçóÿñü àíàëîãèåé ñ òåîðèåé ãàçîâ, ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî ñêîðîñòü âðàùå0,2 íèÿ öåíòðîèäîâ V (ò. å. ñðåäíÿÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ àíñàìáëÿ çâåçä) ìåíüøå ñêîðîñòè êðóãîâîãî äâèæåíèÿ ìàòåðèàëüíîé 0,1 òî÷êè Vc çà ñ÷åò «äàâëåíèÿ», êîòîðîå èñïûòûâàåò öåíòðîèä ïðè ñâîåì äâèæåíèè. Ìîæíî äîáàâèòü, ÷òî ïðè íàëè÷èè îñòàòî÷íûõ äâèæåíèé ÷àñòü êèíåòèv 0 1 2 vm ÷åñêîé ýíåðãèè çâåçä óõîäèò íà Ðèñ. 3.6. Ìàêñâåëëîâñêîå ðàñïðåäåëåíèå ýòè äâèæåíèÿ è, ñîîòâåòñòâåíñêîðîñòåé ìîëåêóë èäåàëüíîãî ãàçà ïî àáíî, êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ âðàñîëþòíîé âåëè÷èíå èõ ñêîðîñòåé. Ïî îñè îðäèíàò — îòíîñèòåëüíîå ÷èñëî ìîëå- ùåíèÿ óìåíüøàåòñÿ. Ñ 1950-õ ãã. èçâåñòíà çàâèñèêóë, èìåþùèõ ñêîðîñòü v â åäèíèöàõ íàèìîñòü «äèñïåðñèÿ ñêîðîñòåé — áîëåå âåðîÿòíîé ñêîðîñòè vm.
55
3.3. Äâîéíûå ñèñòåìû
âîçðàñò»: ó áîëåå ñòàðûõ ïîäñèñòåì ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà äèñïåðñèè ñêîðîñòåé áîëüøå. Ìîæíî áûëî áû îáúÿñíèòü ýòî òåì, ÷òî â ïðîøëîì çâåçäû îáðàçîâûâàëèñü ñ áóëüøèìè îñòàòî÷íûìè ñêîðîñòÿìè, ÷åì ñåé÷àñ. Òàêîâà è ñåé÷àñ òî÷êà çðåíèÿ íåêîòîðûõ èññëåäîâàòåëåé. Îäíàêî åñòåñòâåííåå ïðåäïîëîæèòü, ÷òî â õîäå ýâîëþöèè äèñêà äèñïåðñèÿ ñêîðîñòåé çâåçä óâåëè÷èâàåòñÿ, ò. å. äèñê, êàê ãîâîðÿò, «ðàçîãðåâàåòñÿ». Òîãäà ÷åì ðàíüøå ñôîðìèðîâàëàñü ïîäñèñòåìà, òåì áîëüøå áóäåò ñåãîäíÿ äèñïåðñèÿ ñêîðîñòåé åå çâåçä. Çàâèñèìîñòü äèñïåðñèè îò âðåìåíè ìîæíî çàïèñàòü â òàêîé ôîðìå: æ t su = s 0 çç1 + t è 0
k
ö ÷÷ , ø
ãäå t — âîçðàñò ïîäñèñòåìû, s0, t0, k — ïàðàìåòðû. Âàæíî îïðåäåëèòü ïî íàáëþäàòåëüíûì äàííûì çíà÷åíèå k, òîãäà ìîæíî áûëî áû çàêëþ÷èòü, êàêîé ìåõàíèçì íàãðåâà äèñêà ÿâëÿåòñÿ áîëåå âåðîÿòíûì. Ê ñîæàëåíèþ, óâåðåííûõ îöåíîê ýòîé âåëè÷èíû äî ñèõ ïîð íåò. Ðàçíûå àâòîðû ïîëó÷àëè äëÿ k îöåíêè îò 1/5 äî 1. Ñîãëàñíî Äæ. Áèííè (2000), äàííûå íàáëþäåíèé ëó÷øå âñåãî ñîãëàñóþòñÿ ñ k = 1/3, à Äæ. Ãèëìîð (2007) íàøåë k = 1/2. Äëÿ îáúÿñíåíèÿ çàâèñèìîñòè «äèñïåðñèÿ ñêîðîñòåé — âîçðàñò» âûäâèãàëèñü ðàçíûå ïðåäïîëîæåíèÿ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ñ÷èòàþò, ÷òî, ñêîðåå âñåãî, äèñïåðñèè ñêîðîñòåé âîçðàñòàþò â ðåçóëüòàòå âçàèìîäåéñòâèÿ çâåçä ñî ñïèðàëüíûìè âîëíàìè ïëîòíîñòè è ãèãàíòñêèìè ìîëåêóëÿðíûìè îáëàêàìè.
3.3. Äâîéíûå ñèñòåìû Åñòåñòâåííî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ïðè÷èíîé çâåçäíûõ äâèæåíèé ÿâëÿåòñÿ èõ âçàèìíîå ïðèòÿæåíèå ïî çàêîíó Íüþòîíà. Ïî êàêèì îðáèòàì äâèæóòñÿ çâåçäû? Íà÷íåì ñ ñàìûõ ïðîñòûõ ñëó÷àåâ. Åùå â XVIII â. Â. Ãåðøåëü âûÿâèë ñðåäè çâåçä òåñíûå ïàðû, âåðîÿòíî, ñâÿçàííûå ãðàâèòàöèîííî.  ðåçóëüòàòå áîëåå ÷åì 25-ëåòíèõ íàáëþäåíèé â 1803 ã. îí îòìåòèë èçìåíåíèÿ âî âçàèìíîì ðàñïîëîæåíèè êîìïîíåíòîâ ðÿäà äâîéíûõ çâåçä è îïðåäåëèë ïåðèîä îáðàùåíèÿ â ñèñòåìå äâîéíîé çâåçäû Êàñòîð.  äàëüíåéøåì öåëåíàïðàâëåííûå äëèòåëüíûå íàáëþäåíèÿ äâîéíûõ çâåçä ïðîèçâîäèëè Â. ß. Ñòðóâå è åãî ñûí Î. Â. Ñòðóâå. Ðÿä àâòîðîâ ïðåäëîæèëè ìåòîäû îïðåäåëåíèÿ ýëåìåíòîâ îðáèò äâîéíûõ çâåçä. Åñëè ìû áóäåì ñ÷èòàòü êàæäûé êîìïîíåíò äâîéíîé ñèñòåìû òî÷å÷íîé ìàññîé, òî ïðèäåì ê êëàññè÷åñêîé çàäà÷å äâóõ òåë. Êàê èçâåñòíî, â ýòîì ñëó÷àå îòíîñèòåëüíàÿ îðáèòà áóäåò ýëëèïñîì. Êàçàëîñü
56 1959 1963 1948 1955 1879 1943 1863 1867 1871 1876 1858 1939 1849 1931 1840 1927 1923 1836 1919 1831 1915 1911 1907
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
1883 1887 1891
1940 1852
1896
1895 1903
1899
Ðèñ. 3.7. Âèäèìàÿ (ñëåâà) è èñòèííàÿ îòíîñèòåëüíûå îðáèòû äâîéíîé çâåçäû 70 Çìååíîñöà (â ðàçíîì ìàñøòàáå).
áû, íåòðóäíî îïðåäåëèòü ïî íàáëþäåíèÿì ýêñöåíòðèñèòåò ýëëèïñà è (åñëè èçâåñòíî ðàññòîÿíèå äî ïàðû) åãî áîëüøóþ ïîëóîñü.  äåéñòâèòåëüíîñòè ñäåëàòü ýòî íå òàê ïðîñòî, ïîñêîëüêó íàáëþäåíèÿ äàþò ïðîåêöèþ ýëëèïòè÷åñêîé îðáèòû íà êàðòèííóþ ïëîñêîñòü, è ôîðìà îðáèòû îêàçûâàåòñÿ èñêàæåííîé. Ïðèìåíåíèå çàêîíîâ ìåõàíèêè (âòîðîãî çàêîíà Êåïëåðà) ïîçâîëÿåò, òåì íå ìåíåå, âîññòàíîâèòü èñòèííóþ ýëëèïòè÷åñêóþ îðáèòó è íàéòè åå îðèåíòàöèþ.  êà÷åñòâå ïðèìåðà íà ðèñ. 3.7 ïðèâåäåíà îðáèòà äëÿ äâîéíîé çâåçäû 70 Çìååíîñöà. Òðåòèé çàêîí Êåïëåðà äàåò âîçìîæíîñòü íàéòè ñóììàðíóþ ìàññó ïàðû ïî ïåðèîäó P: m1 + m2 =
4 p2 a 3 , GP 2
ãäå G » 6,67 · 10–11 ì3 êã–1 ñ–2 — ãðàâèòàöèîííàÿ ïîñòîÿííàÿ, a — áîëüøàÿ ïîëóîñü îðáèòû. Âîçìîæíîñòü îïðåäåëèòü ìàññû äâîéíûõ ñèñòåì èìååò îãðîìíîå çíà÷åíèå äëÿ àñòðîíîìèè, òàê êàê äî ñèõ ïîð ýòî åäèíñòâåííûé ñïîñîá ïðÿìîãî îïðåäåëåíèÿ ìàññ çâåçä. Ìîæíî ëè îïðåäåëèòü ìàññó êàæäîé çâåçäû ïàðû â îòäåëüíîñòè? Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ìîæíî, åñëè èçìåðÿëèñü íå òîëüêî îòíîñèòåëüíûå ïîëîæåíèÿ, íî è àáñîëþòíûå ïîëîæåíèÿ êàæäîé çâåçäû. Èç ðåøåíèÿ çàäà÷è äâóõ òåë èçâåñòíî, ÷òî íå òîëüêî îòíîñèòåëüíàÿ îðáèòà ÿâëÿåòñÿ ýëëèïñîì, íî è êàæäîå èç òåë äâèæåòñÿ ïî ýëëèïòè÷åñêîé îðáèòå îòíîñèòåëüíî îáùåãî öåíòðà ìàññ (ðèñ. 3.8). Ïîñëå òîãî, êàê àñòðîìåòðè÷åñêèå èçìåðåíèÿ ïîçâîëèëè íàéòè èñòèííûå àáñîëþòíûå îðáèòû êîìïîíåíòîâ äâîéíîé ñèñòåìû, â ÷àñòíîñòè áîëüøèå ïîëóîñè a1 è a2, ñëåäóåò âîñïîëüçîâàòüñÿ ðàâåíñòâîì m1/m2 = a2/a1. Çíàÿ ñóììó ìàññ è èõ îòíîøåíèå, íåòðóäíî íàéòè ìàññó êàæäîãî êîìïîíåíòà. Ñóùåñòâåííî ñëåäóþùåå. Ïîñëå òîãî, êàê îïðåäåëåíû ýëåìåíòû õîòÿ áû îòíîñèòåëüíîé îðáèòû ïàðû, ìîæíî âû÷èñëèòü âèäèìûå ïîëîæåíèÿ çâåçä â áóäóùåì è ñðàâíèòü ïðåäñêàçàíèå òåîðèè ñ íàáëþäåíèÿ-
3.3. Äâîéíûå ñèñòåìû
57
ìè. Óæå ïåðâûå äåñÿòèëåòèÿ íàáëþäåíèé äâîéíûõ çâåçä ïîêàçàëè ñîãëàñèå ñ ðàñ÷åòàìè, ñäåëàííûìè íà îñíîâå íüþòîíîâñêîãî çàêîíà òÿãîòåíèÿ. Òåì ñàìûì òåîðèÿ ãðàâèòàöèè Íüþòîíà ïîëó÷èëà íåïîñðåäñòâåííóþ ïðîâåðêó íå Ðèñ. 3.8. Èñòèííûå àáñîëþòíûå òîëüêî â ïðåäåëàõ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû, îðáèòû êàæäîãî èç êîìïîíåíòîâ íî è íà ìåæçâåçäíûõ ðàññòîÿíèÿõ. 70 Çìååíîñöà. Êðåñòèêîì îòìåÈìåííî òîãäà íüþòîíîâñêèé çàêîí ñòàë ÷åí öåíòð ìàññ ñèñòåìû. çàêîíîì âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ. Íî ñëåäóåò ëè ýòîò çàêîí îäíîçíà÷íî èç òîãî ôàêòà, ÷òî îòíîñèòåëüíàÿ îðáèòà â äâîéíîé çâåçäå àïïðîêñèìèðóåòñÿ ýëëèïñîì? Ôðàíöóçñêèé ìàòåìàòèê Æ. Áåðòðàí ïîñòàâèë â 1877 ã. çàäà÷ó: çíàÿ, ÷òî òåëà îïèñûâàþò êîíè÷åñêèå ñå÷åíèÿ, è íå ïðåäïîëàãàÿ áîëåå íè÷åãî, íàéòè âûðàæåíèÿ äëÿ ñèëû, âûçûâàþùåé ýòè äâèæåíèÿ, êàê ôóíêöèè êîîðäèíàò òî÷êè. Ê òîìó âðåìåíè áûëè èçâåñòíû äâà ðåøåíèÿ ýòîé çàäà÷è: ñèëà íàïðàâëåíà ê ôèêñèðîâàííîìó öåíòðó, è åå ìîäóëü äîëæåí áûòü ëèáî ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëåí ðàññòîÿíèþ, ëèáî îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëåí åãî êâàäðàòó. Îêàçàëîñü, ÷òî äðóãèõ ðåøåíèé ó ïðîáëåìû Áåðòðàíà íåò. Ïåðâîå èç óïîìÿíóòûõ ðåøåíèé — ýòî òàê íàçûâàåìûé «ãóêîâñêèé ñëó÷àé»: íàïðÿæåíèå â óïðóãîì òåëå ïðîïîðöèîíàëüíî åãî äåôîðìàöèè (çàêîí Ãóêà). Øàðèê íà ðåçèíêå âðàùàåòñÿ ïî ýëëèïñó. Ñâîáîäíûé ìàÿòíèê, ñïîñîáíûé êîëåáàòüñÿ â äâóõ ïëîñêîñòÿõ, ïðè íåáîëüøîé àìïëèòóäå êîëåáàíèé òîæå äâèæåòñÿ ïî ýëëèïñó.  îäíîðîäíîé ãðàâèòèðóþùåé ñðåäå, ãäå ñèëà ïðèòÿæåíèÿ ê öåíòðó ìàññ ëèíåéíî âîçðàñòàåò ñ ðàññòîÿíèåì, ïðîáíîå òåëî òîæå äâèæåòñÿ ïî ýëëèïñó (öåíòð êîòîðîãî ëåæèò â öåíòðå ìàññ).  ñëó÷àå æå äâîéíûõ çâåçä ìû èìååì äâà «òî÷å÷íûõ» ãðàâèòèðóþùèõ òåëà â âàêóóìå, ñèëà âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó êîòîðûìè ìîæåò òîëüêî óáûâàòü ñ ðàññòîÿíèåì. Òîò ôàêò, ÷òî òåëà äâèæóòñÿ ïî ýëëèïñó, äîêàçûâàåò, ÷òî ýòà ñèëà óáûâàåò îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî êâàäðàòó ðàññòîÿíèÿ — âòîðîå èç äâóõ âîçìîæíûõ ðåøåíèé ïðîáëåìû Áåðòðàíà. Òàêèì îáðàçîì, ýëëèïòè÷íîñòü îðáèò â äâîéíûõ çâåçäàõ ïîäòâåðæäàåò, ÷òî çâåçäû âçàèìîäåéñòâóþò èìåííî ïî íüþòîíîâñêîìó çàêîíó îáðàòíûõ êâàäðàòîâ. Áîëüøîå çíà÷åíèå äëÿ ñîâðåìåííîé ãàëàêòè÷åñêîé àñòðîíîìèè èìåþò íàáëþäåíèÿ çâåçäû S2 è ñîñåäíèõ ñ íåé çâåçä, îáðàùàþùèõñÿ âîêðóã ðàäèîèñòî÷íèêà Sgr A*, êîòîðûé, êàê ñ÷èòàåòñÿ, ñâÿçàí ñ ÷åðíîé äûðîé â öåíòðå Ãàëàêòèêè. Ïî-âèäèìîìó, â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè îðáèòû ýòèõ çâåçä ìîæíî ñ÷èòàòü ýëëèïòè÷åñêèìè (ñì. ðèñ. 7.31). Ïàðà-
58
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
ìåòðû ýòèõ îðáèò ïîçâîëÿþò âû÷èñëèòü ìàññó íåâèäèìîé ÷åðíîé äûðû. Òàê êëàññè÷åñêàÿ òåîðèÿ íàõîäèò íîâûå ïðèìåíåíèÿ. Äî ñèõ ïîð ìû ïðåäïîëàãàëè, ÷òî ýíåðãèÿ ïàðû îòðèöàòåëüíà. Òîëüêî â ýòîì ñëó÷àå îðáèòû êîìïîíåíòîâ äâîéíîé ñèñòåìû ÿâëÿþòñÿ ýëëèïñàìè. Åñëè æå ýíåðãèÿ ÿâëÿåòñÿ ïîëîæèòåëüíîé, òî îðáèòû — ãèïåðáîëû.  ýòîì Ðèñ. 3.9. Èçìåíåíèå íàïðà- ñëó÷àå çâåçäû ïðîéäóò îäíà ìèìî äðóãîé è ðàâëåíèé ñêîðîñòåé çâåçä çîéäóòñÿ, èçìåíèâ íàïðàâëåíèÿ âåêòîðîâ ñâîïðè äâîéíîì ñáëèæåíèè. èõ ñêîðîñòåé (ðèñ. 3.9). Òàêèå âçàèìîäåéñòâèÿ — äâîéíûå ñáëèæåíèÿ — èìåþò áîëüøîå çíà÷åíèå äëÿ äèíàìèêè çâåçäíûõ ñèñòåì, è ïîçæå ìû ê íèì åùå îáðàòèìñÿ.
3.4. Îðáèòû â òðîéíûõ ñèñòåìàõ Ñëåäóþùèì ïî ïðîñòîòå êàæåòñÿ ñëó÷àé òðîéíûõ ñèñòåì. Îí ïðåäñòàâëÿåò èíòåðåñ è ïîòîìó, ÷òî â Ãàëàêòèêå íå ìåíåå 6% çâåçä âõîäèò â ñîñòàâ òðîéíûõ ñèñòåì, è ïîòîìó, ÷òî òðîéíûå âçàèìîäåéñòâèÿ ãàëàêòèê â ãðóïïàõ è ñêîïëåíèÿõ, ïî-âèäèìîìó, ñóùåñòâåííî âëèÿþò íà èõ ýâîëþöèþ. Êàê ìû óæå çíàåì (ñì. ãëàâó 2), óäîâëåòâîðèòåëüíîãî àíàëèòè÷åñêîãî ðåøåíèÿ çàäà÷è òðåõ ãðàâèòèðóþùèõ ìàòåðèàëüíûõ òî÷åê íå íàéäåíî.  1912 ã. ôèíñêèé ìàòåìàòèê Ê. Ñóíäìàí ïîëó÷èë ðåøåíèå â âèäå ðÿäîâ ïî âñïîìîãàòåëüíîé ïåðåìåííîé, çàâèñÿùåé îò âðåìåíè. Îäíàêî ðÿäû ýòè ñõîäÿòñÿ êðàéíå ìåäëåííî. Íàïðèìåð, äëÿ ñèñòåìû Ñîëíöå—Þïèòåð—Ñàòóðí òðåáóåòñÿ èñïîëüçîâàòü ïîðÿäêà 1080000 ÷ëåíîâ, ÷òîáû ïîëó÷èòü êîîðäèíàòû ñ òî÷íîñòüþ â íåñêîëüêî ïðîöåíòîâ íà ïðîòÿæåíèè îäíîãî îáîðîòà Þïèòåðà. Íî ïðîáëåìà äàæå íå â ýòîì, à â òîì, ÷òî ìåòîä Ñóíäìàíà íå ìîæåò äàòü íèêàêîé èíôîðìàöèè î ãëîáàëüíûõ ñâîéñòâàõ äàæå îäíîãî ðåøåíèÿ. Åñëè áû è óäàëîñü ïîñòðîèòü áûñòðî ñõîäÿùèåñÿ ðÿäû, òî îíè ñàìè ïî ñåáå íå äàâàëè áû âîçìîæíîñòè ñäåëàòü çàêëþ÷åíèå î ôîðìå îðáèòû è ïîëó÷èòü èíûå âûâîäû êà÷åñòâåííîãî õàðàêòåðà. Âåëèêèå ìàòåìàòèêè Ë. Ýéëåð è Æ.-Ë. Ëàãðàíæ åùå â XVIII â. íàøëè ïðîñòûå ÷àñòíûå ðåøåíèÿ çàäà÷è òðåõ òåë (ðèñ. 3.10 è 3.11).  íèõ òåëà âñå âðåìÿ íàõîäÿòñÿ íà îäíîé âðàùàþùåéñÿ ïðÿìîé èëè â âåðøèíàõ ðàâíîñòîðîííåãî òðåóãîëüíèêà. Íåäàâíî áûëè íàéäåíû ëþáîïûòíûå ðåøåíèÿ — «õîðåîãðàôèè» (ðèñ. 3.12).  íèõ âñå òåëà äâèæóòñÿ ïî îäíîé è òîé æå êðèâîé, íå ñòàëêèâàÿñü äðóã ñ äðóãîì.  1961 ã. ìîñêîâñêèé ìàòåìàòèê Ê. À. Ñèòíèêîâ ðàññìîòðåë ñëåäóþùóþ èíòåðåñíóþ çàäà÷ó. Ðàññìîòðèì îãðàíè÷åííóþ çàäà÷ó òðåõ òåë,
3.4. Îðáèòû â òðîéíûõ ñèñòåìàõ
59
C ò. å. áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî ìàññà îäB íîãî èç òåë (îáîçíà÷èì åãî C) ïðåíåáðåæèìî ìàëà ïî ñðàâíåíèþ ñ ìàññàìè òåë A è B. Áóäåì A ñ÷èòàòü òàêæå, ÷òî ìàññû òåë A Ðèñ. 3.10. Ýéëåðîâî ðåøåíèå çàäà÷è è B ðàâíû. Òåëà A è B äâèæóòñÿ òðåõ òåë. ïî ýëëèïñàì äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà, ñëåäóÿ çàêîíàì Êåïëåðà. A Ðàññìîòðèì ïëîñêîñòü, â êîòîðîé ïîñòîÿííî íàõîäÿòñÿ òåëà A è B, è âûäåëèì íà íåé öåíòð ìàññ ýòèõ òåë. Ïðîâåäåì ÷åðåç íåãî ïðÿìóþ l, ïåðïåíäèêóëÿðíóþ ýòîé ïëîñêîñòè. Ïîìåñòèì â íà÷àëüíûé ìîìåíò òåëî C íà C ýòó ïðÿìóþ è ïðèäàäèì åìó B ñêîðîñòü âäîëü l (ðèñ. 3.13). ÒîÐèñ. 3.11. Ýëëèïòè÷åñêîå ëàãðàíæåâî ãäà òåëî C áóäåò âñå âðåìÿ äâèðåøåíèå çàäà÷è òðåõ òåë. ãàòüñÿ ïî ïðÿìîé l. Ñèòíèêîâ ïîêàçàë, ÷òî ïðè ïîäõîäÿùåì âûáîðå íà÷àëüíûõ óñëîâèé òåëî C áóäåò êîëåáàòüñÿ îòíîñèòåëüíî ïëîñêîñòè, ñî- Ðèñ. 3.12. Õîðåîãðàôè÷åñêîå ðåøåíèå äåðæàùåé òåëà A è B, ïðè÷åì àìçàäà÷è òðåõ òåë. ïëèòóäà êîëåáàíèé áóäåò íåîãC ðàíè÷åííî óâåëè÷èâàòüñÿ ñî âðåìåíåì. Ïîçäíåå áûëî ïîêàçàíî, ÷òî â çàäà÷å Ñèòíèêîâà ìàññà òåëà C ìîæåò áûòü êîíå÷íîé, l è â çàâèñèìîñòè îò âûáîðà íà÷àëüíûõ óñëîâèé ìîæåò áûòü A ïîëó÷åíî ëþáîå ðåøåíèå. ×èñëåííûå ðåøåíèÿ çàäà÷è B òðåõ òåë äëÿ ðàçëè÷íûõ íà÷àëüíûõ óñëîâèé ïîêàçàëè áîëüøîå ðàçíîîáðàçèå îðáèò.  ðÿäå ñëó- Ðèñ. 3.13. Òðîéíàÿ ñèñòåìà Ê. À. Ñèòíèêîâà. ÷àåâ îðáèòû îêàçûâàþòñÿ õàîòè÷åñêèìè: ïðè íåáîëüøîì èçìåíåíèè íà÷àëüíûõ óñëîâèé ïðîèñõîäèò ïîëíîå èçìåíåíèå îðáèò. Õàîòèçàöèè ñïîñîáñòâóþò òåñíûå ñáëèæåíèÿ òåë.
60
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
Îäíèì èç öåíòðàëüíûõ â äèíàìèêå òðîéíûõ ñèñòåì ÿâëÿåòñÿ âîïðîñ îá èõ óñòîé÷èâîñòè. Ëåãêî äîêàçûâàåòñÿ ñëåäóþùåå óòâåðæäåíèå (òåîðåìà ßêîáè): åñëè ñèñòåìà N l 3 ãðàâèòèðóþùèõ òî÷å÷íûõ ìàññ îáëàäàåò ïîëîæèòåëüíîé ýíåðãèåé, òî ïî êðàéíåé ìåðå îäíî èç òåë óëåòàåò íà áåñêîíå÷íîå ðàññòîÿíèå. Òàêèì îáðàçîì, ñèñòåìà ñ ïîëîæèòåëüíîé ýíåðãèåé íåóñòîé÷èâà: îíà ðàñïàäàåòñÿ. À ÷òî áóäåò ïðè îòðèöàòåëüíîé ýíåðãèè ñèñòåìû?  óïîìèíàâøèõñÿ âûøå ÷àñòíûõ ñëó÷àÿõ (Ýéëåðà, Ëàãðàíæà, «õîðåîãðàôèè») ñèñòåìû óñòîé÷èâû (êàê ãîâîðÿò, äâèæåíèÿ ôèíèòíû). Íî íå ÿâëÿþòñÿ ëè îíè èñêëþ÷åíèÿìè? Ìîæíî áûëî áû îæèäàòü, ÷òî ïîñëå òîãî, êàê äâà òåëà â ñèñòåìå òåñíî ñáëèçÿòñÿ è ïðîâçàèìîäåéñòâóþò, ñêîðîñòü îäíîãî èç íèõ îêàæåòñÿ äîñòàòî÷íî áîëüøîé, ÷òîáû ïðåîäîëåòü ïðèòÿæåíèå äâóõ äðóãèõ òåë è óéòè èç ñèñòåìû. Êîìïüþòåðíûå ýêñïåðèìåíòû ïîäòâåðäèëè ýòè îæèäàíèÿ. Êñòàòè, íàäî èìåòü â âèäó, ÷òî â ñèñòåìàõ ñ îòðèöàòåëüíîé ýíåðãèåé íåâîçìîæåí ïîëíûé ðàñïàä, ïðè êîòîðîì âñå òðè òåëà íåîãðàíè÷åííî óäàëÿþòñÿ äðóã îò äðóãà. Âûäåëÿþò äâà áîëüøèõ êëàññà òðîéíûõ ñèñòåì.  îäíîì èç íèõ âñå òðè ðàññòîÿíèÿ ìåæäó êîìïîíåíòàìè ñðàâíèìû ìåæäó ñîáîé (ðèñ. 3.14). Ñëåäóåò îæèäàòü, ÷òî òàêèå ñèñòåìû ðàñïàäàþòñÿ. Êàê ñêîðî ïðîèçîéäåò ðàñïàä, çàâèñèò îò âçàèìíûõ ïîëîæåíèé è ñêîðîñòåé òåë â äàííûé ìîìåíò.  ñðåäíåì íà ýòî íóæíî ñòîëüêî âðåìåíè, ñêîëüêî íåîáõîäèìî, ÷òîáû êîìïîíåíòû óñïåëè íåñêîëüêî ðàç ñáëèçèòüñÿ è ðàçîéòèñü.  êà÷åñòâå ïðèìåðà ïðèâåäåì ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà «ïèôàãîðåéñêîé» çàäà÷è òðåõ òåë, â êîòîðîé òðè ìàññû mA = 3, mB = 4, mC = 5 ïåðâîíà÷àëüíî íåïîäâèæíû â óãëàõ ïèôàãîðåéñêîãî òðåóãîëüíèêà, ñòîðîíû êîòîðîãî ðàâíû 3 (íàïðîòèâ òî÷êè A), 4 (íàïðîòèâ B) è 5 (ðèñ. 3.15). Íàäî ïîä÷åðêíóòü, ÷òî ïîäîáíûå ñîîáðàæåíèÿ ñïðàâåäëèâû, åñëè ìàññû âñåõ òåë îäíîãî ïîðÿäêà. Ñèñòåìà Ñîëíöå—Þïèòåð—Ñàòóðí ïî ãåîìåòðè÷åñêîé êëàññèôèêàöèè òàêæå îòíîñèòñÿ ê ýòîìó êëàññó, îäíàêî ÿâëÿåòñÿ óñòîé÷èâîé, ïîòîìó ÷òî ìàññà Ñîëíöà íà òðè ïîðÿäêà áîëüøå, ÷åì ìàññà ïëàíåò. Âòîðîé êëàññ — ýòî èåðàðõè÷åñêèå ñèñòåìû, â êîòîðûõ îäíî èç òåë âñåãäà íàõîäèòñÿ íà çíà÷èÐèñ. 3.14. Òðîéíàÿ ñè- òåëüíîì óäàëåíèè îò îñòàëüíûõ è â ñèñòåìå íå ñòåìà, â êîòîðîé ðàñïðîèñõîäèò òåñíûõ ñáëèæåíèé (ðèñ. 3.16). Òåëà, ñòîÿíèÿ ìåæäó êîìïîíåíòàìè ñðàâíè- áëèçêèå äðóã äðóãó, äâèãàþòñÿ ïî îðáèòàì, ïî÷òè ìû. Ñêîðåå âñåãî, íå- ýëëèïòè÷åñêèì. Óäàëåííîå òåëî îáðàùàåòñÿ âîóñòîé÷èâà. êðóã öåíòðàëüíîé ïàðû ïðàêòè÷åñêè ïî ýëëèïñó.
61
3.4. Îðáèòû â òðîéíûõ ñèñòåìàõ A
0
3
1
2
2
1 13
10 7 6
11
15
6
12
8
–2
5
9
12
15
–3
8
9
14
(A)
5
4
3
10
–1 4 11
11
7 3
3 10
14
(B, C)
2
3
7
13
12 13
14
15
2 0
B
1
2
–1
6
1 0
C
4 8
5
9
Ðèñ. 3.15. Îðáèòû â ïèôàãîðåéñêîé çàäà÷å òðåõ òåë.
Ïîýòîìó ðàçóìíî îæèäàòü, ÷òî òàêàÿ êîíôèãóðàöèÿ îêàæåòñÿ óñòîé÷èâîé. Ïðàâäà, ìîæåò ñëó÷èòüñÿ, ÷òî ñèñòåìà ïåðâîãî êëàññà âðåìåííî ñòàíåò âûãëÿäåòü êàê èåðàðõè÷åñêàÿ, à çàòåì ðàñïàäåòñÿ. Íî âåðîÿòíîñòü ýòîãî ìàëà. Åñëè æå ãîâîðèòü î ðåàëüíûõ òðîéíûõ çâåçäàõ, òî ñëåäóåò ïîìíèòü, ÷òî îíè èñïûòûâàþò âíåøíèå âîçäåéñòâèÿ (ïðîëåòàþùèå çâåçäû ïîëÿ, ãàçîâûå îáëàêà è ò. ä.). Èç-çà íèõ ìîãóò ðàñïàäàòüñÿ äàæå èåðàðõè÷åñêèå ñèñòåìû. Ïðåäñòàâèì òåïåðü, ÷òî ìèìî äâîéíîé çâåçäû ïðîëåòàåò òðåòüÿ çâåçäà. Ìîæåò îêàçàòüñÿ, ÷òî òðåòüÿ çâåçäà óëåòèò. Ìîæåò ñëó÷èòüñÿ è òàê, ÷òî îíà îòîðâåò îäèí èç êîìïîíåíòîâ è çàéìåò åãî ìåñòî. Ñïðàøèâàåòñÿ, êàê èçìåíÿòñÿ â ñðåäíåì ðàçìåðû îñòàâøåéñÿ ïàðû ïî îòíîøåíèþ ê ïåðâîíà÷àëüíîé.  1950 ã. ýòîò âîïðîñ ðàññìîòðåëè Ëåâ Ýììàíóèëîâè÷ Ãóðåâè÷ è Áîðèñ Þëüåâè÷ Ëåâèí, à â 1975 ã. ôóíäàìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå âûïîëíèë â Àíãëèè Äóãëàñ Õåããè. Îíè íàøëè, ÷òî ñóùåñòâóþò äâà êëàññà äâîéíûõ ñèñòåì â çâåçäíîì ïîëå, â çàâèñèìîñòè îò âåëè÷èíû ïàðàìåòðà Gm1 m 2 . l= Ðèñ. 3.16. Èåðàðõè÷åñêàÿ òðîé2am a s a2 íàÿ ñèñòåìà.
62
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
Çäåñü m1, m2 — ìàññû çâåçä ïàðû, a — áîëüøàÿ ïîëóîñü èõ îðáèòû, ma, sa2 — ìàññà è äèñïåðñèÿ ñêîðîñòåé çâåçä ïîëÿ. Òàêèì îáðàçîì, Gm1m2/2a — ýòî ýíåðãèÿ ãðàâèòàöèîííîé ñâÿçè äâîéíîé ñèñòåìû, à masa2 — óäâîåííàÿ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ çâåçäû ïîëÿ. Åñëè l > 1, òî ïàðà íàçûâàåòñÿ «ïðî÷íîé» (ïî Õåããè: hard binary), à â ïðîòèâíîì ñëó÷àå — «íåïðî÷íîé» (ïî Õåããè: soft binary). Áûëè äîêàçàíû ñëåäóþùèå óòâåðæäåíèÿ (çàêîíû Ãóðåâè÷à—Ëåâèíà—Õåããè): âçàèìîäåéñòâóÿ ñî çâåçäàìè ïîëÿ, ïðî÷íûå ïàðû â ñðåäíåì ñòàíîâÿòñÿ âñå áîëåå ïðî÷íûìè (ò. å. áîëåå òåñíûìè), à íåïðî÷íûå ïàðû â ñðåäíåì ñòàíîâÿòñÿ ìåíåå ïðî÷íûìè (ò. å. ðàñøèðÿþòñÿ). ×èñëåííûå ýêñïåðèìåíòû ïîäòâåðäèëè ýòè ñòàòèñòè÷åñêèå çàêîíû. Âàæíîå çíà÷åíèå äëÿ ïîíèìàíèÿ äèíàìèêè òðîéíûõ ñèñòåì èìåëî îáñóæäåíèå ïðîáëåìû çàõâàòà, ïðîèñõîäèâøåå â 1950-å ãã. â ñâÿçè ñ êîñìîãîíè÷åñêîé ãèïîòåçîé Î. Þ. Øìèäòà. Ñòàâèòñÿ ñëåäóþùèé âîïðîñ: ìîãóò ëè îáðàçîâàòüñÿ äâîéíûå è êðàòíûå çâåçäû â ðåçóëüòàòå îáúåäèíåíèÿ ðàíåå ñóùåñòâîâàâøèõ îäèíî÷íûõ çâåçä â îäíó ñèñòåìó. Ïðè ñáëèæåíèè äâóõ çâåçä (ðàññìàòðèâàåìûõ êàê òî÷å÷íûå ìàññû!) â ðàìêàõ êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè, êàê èçâåñòíî, îíè ïðîõîäÿò äðóã îêîëî äðóãà ïî ãèïåðáîëàì (ðèñ. 3.9). Ïîýòîìó ïðè äâîéíîì ñáëèæåíèè äâîéíàÿ çâåçäà îáðàçîâàòüñÿ íå ìîæåò. Íåêîòîðûå àâòîðèòåòíûå òåîðåòèêè óòâåðæäàëè, ÷òî ïàðà íå ìîæåò îáðàçîâàòüñÿ è ïðè òðîéíîì ñáëèæåíèè. Òåì íå ìåíåå Îòòî Þëüåâè÷ Øìèäò ïîêàçàë âîçìîæíîñòü çàõâàòà, ïîëüçóÿñü ïðèíöèïîì ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííóé ñèììåòðèè äâèæåíèÿ, ò. å. îáðàòèìîñòüþ âî âðåìåíè óðàâíåíèé êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè. Íàïîìíèì ñóòü ýòîãî ïðèíöèïà. Ðàññìîòðèì ñèñòåìó N ãðàâèòèðóþùèõ òî÷å÷íûõ ìàññ. Êàæäàÿ òî÷êà äâèæåòñÿ ïî ñâîåé òðàåêòîðèè.  êàæäûé ìîìåíò âðåìåíè êàæäîå òåëî çàíèìàåò îïðåäåëåííîå ïîëîæåíèå è èìååò îïðåäåëåííóþ ñêîðîñòü. Òåïåðü ìûñëåííî ïðåðâåì äâèæåíèÿ âñåõ òåë, à çàòåì ïðèäàäèì èì ñêîðîñòè, ðàâíûå ïî âåëè÷èíå è ïðîòèâîïîëîæíûå ïî íàïðàâëåíèþ òåì ñêîðîñòÿì, êîòîðûå îíè èìåëè. Òîãäà âñå òåëà áóäóò äâèãàòüñÿ ïî òåì æå òðàåêòîðèÿì, ïî êîòîðûì îíè óæå ñëåäîâàëè, íî â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè. Òåïåðü ïðåäñòàâèì ñåáå ïàðó. Åñëè ìèìî îäíîãî èç êîìïîíåíòîâ ïàðû ïðîéäåò òðåòüå òåëî, òî ñêîðîñòü ýòîãî êîìïîíåíòà ðåçêî èçìåíèòñÿ, ýòî òåëî ñìîæåò ïðåîäîëåòü ïðèòÿæåíèå âòîðîãî êîìïîíåíòà ïàðû. Äâîéíàÿ ñèñòåìà îêàæåòñÿ ðàçîðâàííîé, è âñå òðè òåëà óéäóò â ðàçíûå ñòîðîíû. Åñëè òåïåðü ìû âîñïîëüçóåìñÿ ïðèíöèïîì ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííóé ñèììåòðèè è èçìåíèì ñêîðîñòè âñåõ òðåõ òåë íà ïðîòèâîïîëîæíûå, òî äâèæåíèå òåë ïîéäåò, êàê íà ýêðàíå ïðè äåìîí-
3.5. Ðåãóëÿðíûå è èððåãóëÿðíûå ñèëû
63
ñòðàöèè ôèëüìà îò êîíöà ê íà÷àëó. Òðè òåëà ñáëèçÿòñÿ, äâà èç íèõ îáðàçóþò ïàðó, à òðåòüå óéäåò. Ïðîáëåìà ñîñòîèò òåïåðü â òîì, ÷òîáû äîêàçàòü, ÷òî çàõâàò íå ÿâëÿåòñÿ âðåìåííûì è ÷òî çâåçäû â îáðàçîâàâøåéñÿ ïàðå âñå âðåìÿ áóäóò íà êîíå÷íûõ ðàññòîÿíèÿõ äðóã îò äðóãà.  êîíöå êîíöîâ âîçìîæíîñòü çàõâàòà áûëà ñòðîãî äîêàçàíà. Íàèáîëåå ïîëíûå ðåçóëüòàòû ïîëó÷èëè Ã. À. Ìåðìàí â Ëåíèíãðàäå è Â. Ì. Àëåêñååâ â Ìîñêâå, êîòîðûå íàøëè óñëîâèÿ çàõâàòà. Êîíå÷íî, ðåàëüíûå êðàòíûå çâåçäû âðÿä ëè îáðàçîâàëèñü òàêèì îáðàçîì. Íî ðàññìîòðåííûå çàäà÷è ïðåäñòàâëÿþò èíòåðåñ ïðè èññëåäîâàíèè âçàèìîäåéñòâèÿ ãàëàêòèê.  ïåðâîì ïðèáëèæåíèè áóäåì ñ÷èòàòü ãàëàêòèêè òî÷å÷íûìè ìàññàìè, îêðóæåííûìè îáëàêàìè ìàëîìàññèâíûõ òåë (çâåçä). Ïðè âçàèìîäåéñòâèè âåùåñòâî èç îäíîé ãàëàêòèêè ìîæåò «ïåðåòå÷ü» â äðóãóþ. Ðåàëüíûå ãàëàêòèêè èìåþò êîíå÷íûå ðàçìåðû, ñðàâíèìûå ñ ðàññòîÿíèÿìè ìåæäó íèìè, è âêëþ÷àþò íå òîëüêî çâåçäû, íî è ãàç. Ñóùåñòâåííóþ ðîëü ïðè èõ âçàèìîäåéñòâèè èãðàåò äèíàìè÷åñêîå òðåíèå, êîòîðîå ìû ðàññìîòðèì íèæå. Òîãäà ïîëíàÿ ñèëà, äåéñòâóþùàÿ íà êàæäóþ çâåçäó, áóäåò çàâèñåòü îò ñêîðîñòè, âñëåäñòâèå ÷åãî ïðèíöèï ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííóé ñèììåòðèè óæå ñòàíîâèòñÿ íåïðèìåíèìûì. Ïîýòîìó îêàçûâàþòñÿ âîçìîæíûìè è ñëèÿíèÿ ãàëàêòèê, è òàê íàçûâàåìûé «êàííèáàëèçì». Ïî-âèäèìîìó, òàêèå ïðîöåññû ïîñòîÿííî ïðîèñõîäÿò â ìèðå ãàëàêòèê. Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè âîçíèêëè â ðåçóëüòàòå ñëèÿíèé. Ïðèçíàêè ïðîèñõîäèâøèõ â ïðîøëîì ïîäîáíûõ ÿâëåíèé íàõîäÿò è äëÿ íàøåé Ãàëàêòèêè.
3.5. Ðåãóëÿðíûå è èððåãóëÿðíûå ñèëû Ìû âèäåëè, ÷òî äàæå â òðîéíûõ ñèñòåìàõ îðáèòû çâåçä ÿâëÿþòñÿ âåñüìà íåïðîñòûìè. Êàêèìè æå íåâîîáðàçèìî ñëîæíûìè îíè äîëæíû áûòü â øàðîâûõ ñêîïëåíèÿõ (ñîäåðæàùèõ ïîðÿäêà 105 çâåçä) è òåì áîëåå â Ãàëàêòèêå (1011 çâåçä)!  1838 ã. ïðîôåññîð Õàðüêîâñêîãî óíèâåðñèòåòà À. Ô. Øàãèí ïèñàë: «×òî êàñàåòñÿ äî îïðåäåëåíèÿ îáùèõ öåíòðîâ òÿãîòåíèÿ è âû÷èñëåíèÿ îðáèò çâåçä, òî, áåç ñîìíåíèÿ, ýòî ïðåâîñõîäèò ñèëû óìà ÷åëîâå÷åñêîãî; äðóãîé Êîïåðíèê èëè Íüþòîí íå áóäóò â ñîñòîÿíèè ðåøèòü ñåãî âåëè÷àéøåãî â Ïðèðîäå âîïðîñà». Ê ñ÷àñòüþ, ýòî ïåññèìèñòè÷åñêîå ìíåíèå íå ïîäòâåðäèëîñü. Ïðåæäå âñåãî ñëåäóåò âíèìàòåëüíî ïðîàíàëèçèðîâàòü ñóììàðíîå ñèëîâîå ïîëå, ñîçäàâàåìîå çâåçäàìè. Åùå îñíîâîïîëîæíèêè äèíàìèêè çâåçäíûõ ñèñòåì ñýð Àðòóð Ýääèíãòîí è Ê. Øâàðöøèëüä ïîíÿëè, ÷òî íóæíî ðàçëè÷àòü ñèëû äâóõ ðîäîâ. Êàæäàÿ èç íèõ ÿâëÿåòñÿ ãðàâèòàöèîííîé, íî ñâîéñòâà èõ ðàçëè÷íû.
64
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
Íàøó Ãàëàêòèêó, äðóãèå ãàëàêòèêè, øàðîâûå ñêîïëåíèÿ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñïëîøíûå ãðàâèòèðóþùèå ñðåäû, â êîòîðûõ âåùåñòâî ðàñïðåäåëåíî íåïðåðûâíûì îáðàçîì ñ ïëîòíîñòüþ r(x, y, z). Íàïðèìåð, öåíòðàëüíûå ÷àñòè çâåçäíûõ ñèñòåì ÷àùå âñåãî ÿâëÿþòñÿ áîëåå ïëîòíûìè, ÷åì ïåðèôåðèéíûå. Ó ãàëàêòèê ÷àñòî âûäåëÿåòñÿ ïëîòíàÿ ýêâàòîðèàëüíàÿ ïëîñêîñòü. Áîëüøèíñòâî øàðîâûõ ñêîïëåíèé ÿâëÿþòñÿ ïî÷òè ñôåðè÷åñêèìè.  êàæäîé òî÷êå ñïëîøíàÿ ãðàâèòèðóþùàÿ ñðåäà ñîçäàåò îïðåäåëåííóþ ñèëó.  ñàìîì öåíòðå ñèñòåìû òàêàÿ ñèëà, î÷åâèäíî (â ñèëó ñèììåòðèè), ðàâíà íóëþ. Åñëè ïðàêòè÷åñêè âñÿ ìàññà M ñôåðè÷åñêîé ñèñòåìû ñîñðåäîòî÷åíà âíóòðè øàðà ðàäèóñà r*, òî ïðè r l r* ñèëà ïðèòÿæåíèÿ ðàâíà GmM/r 2 (ò. å. ñèëå ïðèòÿæåíèÿ ñî ñòîðîíû «òî÷êè» ìàññû M). Çäåñü m — ìàññà ïðèòÿãèâàåìîé çâåçäû. Ìíîãèå àñòðîíîìè÷åñêèå òåëà è ñèñòåìû òåë ñ õîðîøåé òî÷íîñòüþ ìîæíî ñ÷èòàòü òåëàìè âðàùåíèÿ (ò. å. îíè îáëàäàþò, êàê ãîâîðÿò, ðîòàöèîííîé ñèììåòðèåé). Ââåäåì öèëèíäðè÷åñêóþ ñèñòåìó êîîðäèíàò R, q, z ñ íà÷àëîì â öåíòðå ìàññ ñèñòåìû è îñüþ z, íàïðàâëåííîé âäîëü îñè ñèììåòðèè. Òîãäà ïëîòíîñòü r = r(R, z). Âåëè÷èíà ñèëû ïðèòÿæåíèÿ ñî ñòîðîíû ñèñòåìû êàê ñïëîøíîé ñðåäû F = F(R, z). Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ïëîñêîñòü z = 0 ÿâëÿåòñÿ ïëîñêîñòüþ ñèììåòðèè, ò. å. r(R, z) = r(R, –z). Ïóñòü Vc(R) — êðóãîâàÿ ñêîðîñòü â ïëîñêîñòè z = 0 íà ðàññòîÿíèè R îò îñè ñèììåòðèè. Òîãäà ñïðàâåäëèâî ðàâåíñòâî F ( R , 0) =
Vc2 ( R ) . R
Îíî âûðàæàåò óñëîâèå, ÷òî ïðè äâèæåíèè òî÷êè ïî êðóãîâîé îðáèòå ñèëà ãðàâèòàöèè è öåíòðîáåæíàÿ ñèëà óðàâíîâåøèâàþòñÿ. Âûïèñàííîå ðàâåíñòâî ëåæèò â îñíîâå ìåòîäîâ ìîäåëèðîâàíèÿ ñãëàæåííîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ìàññ â ãàëàêòèêàõ ïî èçâåñòíîé èç íàáëþäåíèé êðèâîé âðàùåíèÿ. Äëÿ ñôåðè÷åñêèõ ñèñòåì GM (r ) , r2 ãäå M(r) — ïîëíàÿ ìàññà, çàêëþ÷åííàÿ âíóòðè øàðà ðàäèóñà r. Òîãäà F (r ) =
M (r ) =
rVc2 (r ) . G
Ïóñòü, íàïðèìåð, Vc(r) = const, ÷òî ïî ñîâðåìåííûì äàííûì íàáëþäåíèé äëÿ íàøåé Ãàëàêòèêè ìîæíî ïðèíÿòü â ñàìîì ãðóáîì ïðèáëèæåíèè. Òîãäà ïîëó÷àåì, ÷òî M(r) ëèíåéíî âîçðàñòàåò ñ ðàññòîÿíèåì îò öåíòðà: M(r) µ r. Ïëîòíîñòü íà ðàññòîÿíèè r îò öåíòðà îêàçûâàåò-
3.5. Ðåãóëÿðíûå è èððåãóëÿðíûå ñèëû
65
ñÿ îáðaòíî ïðîïîðöèîíàëüíîé êâàäðàòó ðàññòîÿíèÿ îò öåíòðà: ñ(r) = ñ0(r0/r)2. Äëÿ íåñôåðè÷åñêèõ ñèñòåì çàäà÷à ñèëüíî óñëîæíÿåòñÿ. Ñèëà ïðèòÿæåíèÿ çâåçäíîé ñèñòåìîé êàê ñïëîøíîé ãðàâèòèðóþùåé ñðåäîé íàçûâàåòñÿ ðåãóëÿðíîé èëè ñãëàæåííîé. Ïîëíàÿ ñèëà, äåéñòâóþùàÿ íà êàæäóþ çâåçäó, ñêëàäûâàåòñÿ èç ðåãóëÿðíîé ñèëû è äîáàâêè, îáðàçîâàííîé, êàê ëåãêî ñîîáðàçèòü, ïðèòÿæåíèåì íåñêîëüêèõ áëèæàéøèõ ñîñåäåé. Ðàçíîñòü ìåæäó ïîëíîé è ðåãóëÿðíîé ñèëàìè íàçûâàþò èððåãóëÿðíîé, èëè ñëó÷àéíîé, ñèëîé. Èððåãóëÿðíàÿ ñèëà çàâèñèò îò òîãî, êàê ñëó÷àéíûì îáðàçîì ðàñïîëàãàþòñÿ â îêðåñòíîñòè äàííîé çâåçäû åå ñîñåäè, ïîýòîìó-òî îíà è íîñèò ñëó÷àéíûé õàðàêòåð. Çàðàíåå óêàçàòü âåëè÷èíó è íàïðàâëåíèå èððåãóëÿðíîé ñèëû íåâîçìîæíî. Ìîæíî ëèøü íàéòè âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî îíà ïðèìåò òî èëè èíîå çíà÷åíèå. Íàïðèìåð, äëÿ ñèñòåìû ãðàâèòèðóþùèõ òî÷åê, ðàçáðîñàííûõ â ïðîñòðàíñòâå ðàâíîìåðíî ñ åñòåñòâåííûìè ôëóêòóàöèÿìè, çàêîí ðàñïðåäåëåíèÿ ñëó÷àéíîé ñèëû íàøåë â 1919 ã. íîðâåæñêèé ôèçèê ß. Õîëüöìàðê (îí èññëåäîâàë ðàñïðåäåëåíèå ýëåêòðîñòàòè÷åñêîé ñèëû â ñèñòåìå çàðÿæåííûõ ÷àñòèö, à íå ãðàâèòàöèîííîé ñèëû, íî ðàçëè÷èå â äàííîì ñëó÷àå íåñóùåñòâåííî). Ôîðìóëà ðàñïðåäåëåíèÿ Õîëüöìàðêà îêàçàëàñü ñëîæíîé, íå âûðàæàþùåéñÿ ÷åðåç ýëåìåíòàðíûå ôóíêöèè. Îäíàêî ýòî ðàñïðåäåëåíèå î÷åíü áëèçêî ê ðàñïðåäåëåíèþ ñëó÷àéíîé ñèëû îò áëèæàéøåãî ñîñåäà äàííîé çâåçäû. Ñïåöèàëüíûå êîìïüþòåðíûå èññëåäîâàíèÿ ïîäòâåðäèëè ñòîõàñòè÷íîñòü èððåãóëÿðíûõ ñèë. Çàìåòèì, ÷òî ðåãóëÿðíûå è èððåãóëÿðíûå âîçäåéñòâèÿ ìîæíî óâèäåòü â áîëüøèíñòâå ôèçè÷åñêèõ, áèîëîãè÷åñêèõ è ñîöèàëüíûõ ïðîöåññîâ. Íàéäåì õàðàêòåðíîå âðåìÿ äåéñòâèÿ ðåãóëÿðíûõ ñèë, ò. å. âðåìÿ, çà êîòîðîå ñèñòåìà ìîæåò ñóùåñòâåííî èçìåíèòüñÿ ïîä äåéñòâèåì ýòèõ ñèë. Ðåãóëÿðíàÿ ñèëà — ýòî ñèëà ãðàâèòàöèè. Ïîýòîìó õàðàêòåðíîå âðåìÿ åå äåéñòâèÿ äîëæíî çàâèñåòü îò ãðàâèòàöèîííîé ïîñòîÿííîé G è ìàññû ñèñòåìû (åå «ãðàâèòàöèîííîãî çàðÿäà») M. ×åì ìåíüøå ðàçìåð r* ñèñòåìû ñ ôèêñèðîâàííîé ìàññîé, òåì, î÷åâèäíî, ñèëüíåå ãðàâèòàöèîííîå âîçäåéñòâèå âíóòðè ñèñòåìû, òåì áûñòðåå äåéñòâóåò ðåãóëÿðíàÿ ñèëà è òåì ìåíüøå åå õàðàêòåðíîå âðåìÿ. Òàêèì îáðàçîì, â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè õàðàêòåðíîå âðåìÿ tg äåéñòâèÿ ðåãóëÿðíûõ ñèë äîëæíî çàâèñåòü îò G, M, r*. Èç ýòèõ òðåõ âåëè÷èí ìîæíî ñîñòàâèòü òîëüêî îäíó êîìáèíàöèþ, èìåþùóþ ðàçìåðíîñòü âðåìåíè. Åå ìû è ïðèìåì çà tg: r3 tg = * . GM
66
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
Ýòó âåëè÷èíó íàçûâàþò ãðàâèòàöèîííûì âðåìåíåì èëè âðåìåíåì ïåðåñå÷åíèÿ. Ââåäåì ñðåäíþþ ïëîòíîñòü ñèñòåìû r=
3M M » 4 pr*3 4 r*3
Òîãäà ìîæíî çàïèñàòü: tg =
1 1 . 2 Gr
Âðåìåíè ïåðåñå÷åíèÿ ìîæíî ïðèäàòü áîëåå íàãëÿäíûé ñìûñë. Ðàññìîòðèì çâåçäó, êîòîðàÿ äâèæåòñÿ ïî êðóãîâîé îðáèòå íà ãðàíèöå ñèñòåìû, íà ðàññòîÿíèè r* îò öåíòðà. Ïî òðåòüåìó çàêîíó Êåïëåðà äëÿ ïåðèîäà îáðàùåíèÿ P èìååì: P = 2p
r*3 . GM
Îòñþäà çàêëþ÷àåì, ÷òî tg = P/2p. Ðàññìîòðèì äðóãîé ïðåäåëüíûé ñëó÷àé çâåçäíûõ äâèæåíèé — ïðÿìîëèíåéíûå îðáèòû, ïðîõîäÿùèå ÷åðåç öåíòð. Ïðåäñòàâèì ñèñòåìó â âèäå îäíîðîäíîãî øàðà ïëîòíîñòè r. Íåòðóäíî ïîêàçàòü, ÷òî ïåðèîä ïðÿìîëèíåéíûõ êîëåáàíèé çâåçä P¢ =
3 , Gr
à çíà÷èò, P ¢ = 2 3 tg .
Ýòî ðàâåíñòâî îáúÿñíÿåò, ïî÷åìó tg íàçâàíî «âðåìåíåì ïåðåñå÷åíèÿ». Äëÿ Ãàëàêòèêè tg ñîñòàâëÿåò ïîðÿäêà 108 ëåò. Îöåíèì òåïåðü îòíîñèòåëüíóþ çíà÷èìîñòü ðåãóëÿðíûõ è èððåãóëÿðíûõ ñèë. Äëÿ ïðîñòîòû áóäåì ñðàâíèâàòü ðåãóëÿðíóþ ñèëó ñ ñèëîé ïðèòÿæåíèÿ áëèæàéøåãî ñîñåäà. Åñëè ñîñåä íàõîäèòñÿ áëèçêî ê äàííîé çâåçäå, òî åãî ïðèòÿæåíèå ïðåâîñõîäèò ðåãóëÿðíóþ ñèëó. Ïîýòîìó îêîëî êàæäîé çâåçäû ìîæíî ïðîâåñòè ñôåðó òàêèì îáðàçîì, ÷òî âíóòðè ñôåðû äîìèíèðóåò èððåãóëÿðíàÿ ñèëà, à âíå ñôåðû — ðåãóëÿðíàÿ. Ïðîñòðàíñòâî ñèñòåìû ìû ðàçáèâàåì ýòèì ñàìûì íà äâå ÷àñòè: îáëàñòè âíóòðè ñôåð è âíå èõ. Ïðèìåì, ÷òî ñèñòåìà îáëàäàåò ñôåðè÷åñêîé ñèììåòðèåé è çâåçäû ðàñïðåäåëåíû â íåé ðàâíîìåðíî ñ åñòåñòâåííûìè ôëóêòóàöèÿìè. Ìîæíî ïîäñ÷èòàòü, ÷òî îòíîøåíèå ñóììû îáúåìîâ, âíóòðè êîòîðûõ èððåãóëÿðíàÿ ñèëà áîëüøå ðåãóëÿðíîé, ê ïîëíîìó îáúåìó ñèñòåìû ñîñòàâëÿåò:
67
3.5. Ðåãóëÿðíûå è èððåãóëÿðíûå ñèëû
A=
2 m 3 /2 . N m 3 /2
Çäåñü N — ÷èñëî çâåçä â ñèñòåìå, à ÷åðòà îçíà÷àåò óñðåäíåíèå ïî çâåçäàì ñèñòåìû. Âåëè÷èíà A èìååò ñìûñë äëÿ ëþáîé ñèñòåìû. Åå íàçûâàþò ïàðàìåòðîì Àãåêÿíà, ïîñêîëüêó ýòó õàðàêòåðèñòèêó çâåçäíûõ ñèñòåì ââåë ëåíèíãðàäñêèé àñòðîíîì Òàòåîñ Àðòåìüåâè÷ Àãåêÿí â 1960 ã. Î÷åâèäíî, ÷òî ÷åì áîëüøå çíà÷åíèå ïàðàìåòðà Àãåêÿíà, òåì áîëüøå ðîëü èððåãóëÿðíûõ ñèë. Ñëåäîâàòåëüíî, åñëè N o 1 (êàê â íàøåé Ãàëàêòèêå), òî çíà÷åíèå èððåãóëÿðíûõ ñèë íè÷òîæíî, è äâèæåíèÿ çâåçä îïðåäåëÿþòñÿ ïî÷òè èñêëþ÷èòåëüíî ñãëàæåííûì ïîëåì. Òàêèå ñèñòåìû íàçûâàþò áåññòîëêíîâèòåëüíûìè. 3 /2 Èìååò çíà÷åíèå è ìíîæèòåëü m 3 /2 / m . Åñëè áû ìàññû âñåõ çâåçä áûëè îäèíàêîâû, îí ðàâíÿëñÿ áû åäèíèöå. Åñëè æå ìàññû çâåçä ðàçëè÷àþòñÿ, òî ýòî âûðàæåíèå áîëüøå åäèíèöû. Äëÿ ïðèìåðà ðàññìîòðèì ñëåäóþùèå äâà ñëó÷àÿ: 1) ñèñòåìà ñîñòîèò èç òðåõ çâåçä, ïðè÷åì ìàññû äâóõ èç íèõ îäèíàêîâû, à ìàññà òðåòüåé áîëüøå â 10 ðàç; 2) ñèñòåìà ñîñòîèò èç äâóõ çâåçä, ïðè÷åì ìàññà îäíîé èç íèõ 3 /2 áîëüøå ìàññû äðóãîé â 100 ðàç.  ïåðâîì ñëó÷àå m 3 /2 / m » 1,40, à âî âòîðîì ýòà äðîáü ïðèáëèæåííî ðàâíà 1,39.  íàøåé Ãàëàêòèêå è äðóãèõ çâåçäíûõ ñèñòåìàõ èððåãóëÿðíûå ñèëû ìîãóò áûòü îáÿçàíû ñâîèì ñóùåñòâîâàíèåì íå òîëüêî âçàèìîäåéñòâèþ çâåçä ìåæäó ñîáîé, íî è âîçäåéñòâèþ ñî ñòîðîíû ãèãàíòñêèõ ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ, øàðîâûõ ñêîïëåíèé è äðóãèõ îáúåêòîâ, êîòîðûå íàäî ó÷èòûâàòü ïðè âû÷èñëåíèè ïàðàìåòðà Àãåêÿíà. Çà èõ ñ÷åò 3 /2 îòíîøåíèå m 3 /2 / m ìîæåò äîñòèãàòü çíà÷åíèé 102–103. Íà âîçìîæíóþ âàæíóþ ðîëü ïîäîáíûõ ìàññèâíûõ îáúåêòîâ â äèíàìèêå Ãàëàêòèêè îáðàòèëè âíèìàíèå â 1951 ã. Ëàéìàí Ñïèòöåð è Ìàðòèí Øâàðöøèëüä (ñûí Ê. Øâàðöøèëüäà) â ÑØÀ, à òàêæå Àëåêñàíäð Èãíàòüåâè÷ Ëåáåäèíñêèé â ÑÑÑÐ. Çàìåòèì íàêîíåö, ÷òî ðåãóëÿðíûå è èððåãóëÿðíûå ñèëû âçàèìîcâÿçàíû. Òàê, ïåðåðàñïðåäåëåíèå çâåçä, âûçâàííîå èððåãóëÿðíûìè ñèëàìè, ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ ðåãóëÿðíîãî ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ.  íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ, íàïðèìåð ïðè ó÷åòå äàëåêèõ çâåçäíûõ ñáëèæåíèé, â óðàâíåíèÿõ, îïèñûâàþùèõ ýâîëþöèþ çâåçäíûõ ñèñòåì, âûçûâàåò çàòðóäíåíèÿ è ñàìî ðàçäåëåíèå ðåãóëÿðíûõ è èððåãóëÿðíûõ ñèë, ÿâëÿþùååñÿ äî èçâåñòíîé ñòåïåíè óñëîâíûì. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, èððåãóëÿðíûå ñèëû (â îñîáåííîñòè âîçíèêàþùèå ïðè äàëåêèõ ñáëèæåíèÿõ) èíîãäà ðàññìàòðèâàþòñÿ êàê ôëóêòóàöèè ðåãóëÿðíûõ.
68
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
3.6. Ïëîñêèå çâåçäíûå îðáèòû Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî äâèæåíèå çâåçä îïðåäåëÿåòñÿ òîëüêî ðåãóëÿðíûìè ñèëàìè. Ïî êàêèì îðáèòàì áóäóò îíè äâèãàòüñÿ? Ñíà÷àëà ðàññìîòðèì ñàìûé ïðîñòîé ñëó÷àé — äâèæåíèå â öåíòðàëüíîì ïîëå. Ê òàêîé çàäà÷å ìû ïðèäåì, èçó÷àÿ äâèæåíèå çâåçäû âíóòðè ñôåðè÷åñêîé ãàëàêòèêè èëè øàðîâîãî ñêîïëåíèÿ, êîòîðûå áóäåì ñ÷èòàòü ñòàöèîíàðíûìè. Èíòóèòèâíî êàæåòñÿ î÷åâèäíûì, ÷òî òîãäà îðáèòà äîëæíà áûòü ïëîñêîé. Äåéñòâèòåëüíî, â ìåõàíèêå äîâîëüíî ïðîñòî äîêàçûâàåòñÿ, ÷òî ïðè äâèæåíèè â öåíòðàëüíîì ïîëå îðáèòà (åñëè îíà íå ïðÿìîëèíåéíàÿ) âñå âðåìÿ ëåæèò â ïëîñêîñòè, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç öåíòð ñèñòåìû. Ðàññìîòðèì òàêæå ðîòàöèîííî-ñèììåòðè÷íóþ ãàëàêòèêó, äëÿ êîòîðîé ñóùåñòâóåò ïëîñêîñòü ñèììåòðèè, è áóäåì èññëåäîâàòü îðáèòû â ýêâàòîðèàëüíîé ïëîñêîñòè.  ýòîì ñëó÷àå îïÿòü ïðèäåì ê çàäà÷å î äâèæåíèè â öåíòðàëüíîì ïîëå. Ââåäåì â ïëîñêîñòè îðáèòû ïîëÿðíûå êîîðäèíàòû R, q (ñ íà÷àëîì â öåíòðå ñèñòåìû). Ïóñòü vR — ïðîåêöèÿ ñêîðîñòè çâåçäû íà ëó÷, ñîåäèíÿþùèé öåíòð ñèñòåìû ñî çâåçäîé, vq — ïðîåêöèÿ íà íàïðàâëåíèå, ïåðïåíäèêóëÿðíîå ýòîìó ëó÷ó. Ïðèìåì ìàññó çâåçäû çà åäèíèöó. Ïðè äâèæåíèè â ñòàöèîíàðíîì ïîëå ñîõðàíÿåòñÿ (óäåëüíàÿ) ýíåðãèÿ çâåçäû 1 E = v2R + v q2 + P( R ) , 2 ãäå P(R) — ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ çâåçäû (â ðàñ÷åòå íà åäèíèöó ìàññû), îïðåäåëÿåìàÿ ñãëàæåííûì ðàñïðåäåëåíèåì âåùåñòâà â ãàëàêòèêå. Åñëè ïîäàâëÿþùàÿ ÷àñòü âåùåñòâà ãàëàêòèêè ñîñðåäîòî÷åíà â ÿäðå ìàññû M, òî âíå ÿäðà P(R) = –GM/R. Åñëè æå ãàëàêòèêó ìîæíî ñ÷è1 òàòü îäíîðîäíûì ýëëèïñîèäîì, òî P(R) = -Q 20 + Q 21 R 2 . Äëÿ òîãî, ÷òî2 áû çâåçäà íå óëåòåëà èç ñèñòåìû, íåîáõîäèìî, ÷òîáû E < 0. Èçâåñòíî, ÷òî ïðè äâèæåíèè â öåíòðàëüíîì ïîëå ñîõðàíÿåòñÿ (óäåëüíûé) ìîìåíò èìïóëüñà çâåçäû (èíòåãðàë ïëîùàäåé)
(
)
h = Rvq .
Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî äëÿ ïðîèçâîëüíîãî öåíòðàëüíîãî ïîëÿ îñòàåòñÿ ñïðàâåäëèâûì âòîðîé çàêîí Êåïëåðà. Âåëè÷èíû E è h, ñîõðàíÿþùèåñÿ âäîëü îðáèòû, íàçûâàþòñÿ èíòåãðàëàìè äâèæåíèÿ. Çíàíèå èõ ïîëíîñòüþ îïðåäåëÿåò ãëîáàëüíûå ñâîéñòâà îðáèòû. Åñëè h = 0 (ò. å. vq = 0) è vR ¹ 0 è ïðè ýòîì E < 0, òî çâåçäà ñîâåðøàåò ïðÿìîëèíåéíûå êîëåáàíèÿ (ëèáðàöèè), ïðîëåòàÿ ÷åðåç öåíòð ñî ñêîðîñòüþ, ðàâíîé 2[E -P(0)] . Àìïëèòóäà êîëåáàíèé ðàâíÿåòñÿ
69
3.6. Ïëîñêèå çâåçäíûå îðáèòû
óäâîåííîìó ïîëîæèòåëüíîìó êîðíþ óðàâíåíèÿ p' a E = P(R). Äëÿ ðåàëèñòè÷åñêèõ ìîäåëåé ãàëàêòèê p òàêîé êîðåíü åäèíñòâåíåí. 2a Åñëè æå vR º 0, òî îðáèòà áóäåò êðóãîâîé (çâåçäà ñîâåðøàåò ðîòàöèè).  1954 ã. ãðå÷åñêèé àñòðîíîì Ãåîðãèîñ Êîíòîïóëîñ äîêàçàë, ÷òî äëÿ ñôåðè÷åñêèõ ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåì êðóãîâûå îðáèòû ÿâëÿþòñÿ óñòîé÷èâûìè. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî åñëè â íà÷àëüíûé ìîìåíò, ñêàæåì, ñêîðîñòü C vR íå íóëü, à ìàëà, òî çâåçäà áóäåò ñîâåðøàòü ìàëûå êîëåáàíèÿ îòíîñèòåëüíî îêðóæíîñòè. Èç óñ- Ðèñ. 3.17. Ýïèöèêëè÷åñêîå äâèæåíèå âî òîé÷èâîñòè âûòåêàåò ñëåäóþùåå ñâîéñòâî îðâðàùàþùåéñÿ ñèñòåáèò: ïðè çàäàííûõ çíà÷åíèÿõ èíòåãðàëà ýíåðãèè ìå îòñ÷åòà. E èëè èíòåãðàëà ïëîùàäåé h ñóùåñòâóåò åäèíñòâåííîå ðàññòîÿíèå îò öåíòðà, íà êîòîðîì âîçìîæíî êðóãîâîå äâèæåíèå ñ ýòèì çíà÷åíèåì èíòåãðàëà. Åñëè ìû ðàññìîòðèì äâèæåíèÿ â ýêâàòîðèàëüíîé ïëîñêîñòè ñïëþñíóòîé ãàëàêòèêè, òî îêàçûâàåòñÿ, ÷òî âî âíóòðåííèõ ÷àñòÿõ êðóãîâûå îðáèòû òàêæå óñòîé÷èâû. Îäíàêî íà äàëåêîé ïåðèôåðèè ñèëüíî ñïëþñíóòûõ ñèñòåì êðóãîâûå îðáèòû íåóñòîé÷èâû, ÷òî óñòàíîâèë Á. Ëèíäáëàä â 1927 ã. Ýòà íåóñòîé÷èâîñòü ïîñëóæèëà äëÿ íåãî èñõîäíûì ïóíêòîì ðàííåé òåîðèè ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû. Îðáèòû, áëèçêèå ê êðóãîâûì, íàçûâàþòñÿ ýïèöèêëè÷åñêèìè (â ñâÿçè ñ ýòèì íàçâàíèåì âñïîìíèì ñèñòåìó ìèðà Ïòîëåìåÿ ñ äåôåðåíòàìè, ýïèöèêëàìè è ýêâàíòîì). Îíè èãðàþò âàæíóþ ðîëü âî ìíîãèõ òåîðåòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèÿõ ïî çâåçäíîé äèíàìèêå. Íàãëÿäíî òàêóþ îðáèòó ìîæíî ïðåäñòàâèòü ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ðàññìîòðèì òî÷êó P (íàçûâàåìóþ âåäóùèì öåíòðîì), ðàâíîìåðíî îáðàùàþùóþñÿ ïî êðóãîâîé îðáèòå ðàäèóñà Rc. Òîãäà âî âðàùàþùåéñÿ ñèñòåìå êîîðäèíàò, â êîòîðîé âåäóùèé öåíòð íåïîäâèæåí (ðèñ. 3.17), îðáèòà âûãëÿäèò êàê ýëëèïñ («êîðèîëèñîâ êðóæîê»). Ìîæíî çàïèñàòü, ÷òî R – Rc = a sin i(t – t0),
ãäå a — àìïëèòóäà ýïèöèêëè÷åñêèõ êîëåáàíèé, à âåëè÷èíà i íàçûâàåòñÿ ýïèöèêëè÷åñêîé ÷àñòîòîé. Îäíà èç ïîëóîñåé ýëëèïñà, î÷åâèäíî, ðàâíà a. Äîêàçûâàåòñÿ, ÷òî âòîðàÿ ïîëóîñü — (2aù/i), ãäå w = Vc /Rc — êðóãîâàÿ ÷àñòîòà íà ðàññòîÿíèè Rc. Ïî ñîâðåìåííûì äàííûì, â ãaëaêòè÷åñêîé îêðåñòíîñòè Ñîëíöà w = 27,2 êì/(c · êïê), à i = 36,7 êì/(c · êïê). Cîîòâåòñòâóþùèå ïåðèî-
70
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
äû ñîñòàâëÿþò 2p/w = 2,3 · 108 ëåò è 2p/i = 1,7 · 108 ëåò. Ïðèìå÷àòåëüíî, ÷òî â Ãàëàêòèêå w – i/2 » » const (ò. å. ýòà âåëè÷èíà ïî÷òè ïîñòîÿííà íà ðàçíûõ ðàññòîÿíèÿõ îò öåíòðà Ãàëaêòèêè). Îáîçíà÷èì ÷åðåç s2R è s2q äèñïåðñèè îñòàòî÷íûõ ñêîðîñòåé vR è vq – V » » vq – Vc. Èç òåîðèè ýïèöèêëè÷åñêèõ îðáèò âûòåêàåò, ÷òî Ðèñ. 3.18. Îðáèòà ÷àñòèöû â ïîëå ñ ñèëîé F µ r–1,5 (Ñóðäèí, 2009).
s R 2w = , sq i
ò. å., â îòëè÷èå îò àòîìîâ â ãàçå, ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé çâåçä â ãàëàêòè÷åñêîì äèñêå äîëæíî áûòü àíèçîòðîïíûì (èððåãóëÿðíûìè ñèëàìè çäåñü ïðåíåáðåãàåì). Ýòî ñîîòíîøåíèå íàçûâàþò ôîðìóëîé Ëèíäáëàäà. Îíî ïîäòâåðæäàåòñÿ äàííûìè íàáëþäåíèé äëÿ áîëüøèíñòâà ïëîñêèõ ïîäñèñòåì Ãàëàêòèêè. Ïîýòîìó ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî çâåçäû ýòèõ ïîäñèñòåì äâèæóòñÿ ïî îðáèòàì, áëèçêèì ê ýïèöèêëè÷åÐèñ. 3.19. Îðáèòà çâåçäû ñêèì. GC 15252 â ýêâàòîðèàëüíîé ïëîñ îáùåì ñëó÷àå çâåçäíûå îðáèòû êîñòè Ãàëàêòèêè (ïî Ã. À. Ìàëàïðåäñòàâëÿþò ñîáîé íàëîæåíèå ëèáðàñèäçå).  êà÷åñòâå ìîäåëè Ãàëàêòèêè èñïîëüçîâàíà èçîõðîííàÿ öèé âäîëü ãàëàêòè÷åñêîãî ðàäèóñà (îòìîäåëü Ýíîíà. Äâà ðàäèóñà-âåê- íîñèòåëüíî êðóãîâîé îðáèòû) è ðîòàòîðà óêàçûâàþò ïåðèöåíòð è öèè âîêðóã öåíòðà (ðèñ. 3.18 è 3.19). Êààïîöåíòð îðáèòû. æäîå èç ýòèõ äâèæåíèé õàðàêòåðèçóåòñÿ ñâîèì ïåðèîäîì. Äëÿ ýïèöèêëè÷åñêèõ îðáèò îíè, î÷åâèäíî, ðàâíû 2p/i è 2p/w. Åñëè îòíîøåíèå ýòèõ ïåðèîäîâ ðàöèîíàëüíî, òî îðáèòà áóäåò çàìêíóòîé. Âûøåóïîìÿíóòûé ìàòåìàòèê Áåðòðàí äîêàçàë, ÷òî âñå (ñ E < 0) îðáèòû áóäóò çàìêíóòûìè òîëüêî äëÿ äâóõ ñëó÷àåâ: ïðè äâèæåíèè â ïîëå òî÷å÷íîé ìàññû è äëÿ äâèæåíèé âíóòðè îäíîðîäíîãî ýëëèïñîèäà. Âî âñåõ äðóãèõ ñëó÷àÿõ îòíîøåíèå ïåðèîäîâ ìîæåò ëèøü ñëó÷àéíî îêàçàòüñÿ ðàöèîíàëüíûì ïðè èñêëþ÷èòåëüíûõ íà÷àëüíûõ óñëîâèÿõ.  îáùåì æå ñëó÷àå îðáèòû íåçàìêíóòû è ïëîòíî çàïîëíÿþò êîëüöî. Òàêèå îðáèòû íàçûâàþò ðîçåòî÷íûìè. ×èñëåííûå ðàñ÷åòû äëÿ íàøåé Ãàëàêòèêè
71
3.6. Ïëîñêèå çâåçäíûå îðáèòû
ïîêàçûâàþò, ÷òî ïðè íà÷àëüíûõ ñêîðîñòÿõ vR äî 30 êì/ñ ýïèöèêëè÷åñêîå ïðèáëèæåíèå îñòàåòñÿ óäîâëåòâîðèòåëüíûì. Êàêèì ìîæåò áûòü âûðàæåíèå äëÿ ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè P(R)? Îíî çàâèñèò îò ðàñïðåäåëåíèÿ ïëîòíîñòè âåùåñòâà â ãàëàêòèêå, êîòîðîå îáû÷íî ïðåäñòàâëÿþò â âèäå íåêîòîðîé, êàê ïðàâèëî, àíàëèòè÷åñêîé ìîäåëè. Ïðåäëàãàëîñü ìíîãî ðàçíûõ ìîäåëåé ãàëàêòèê; ìû êðàòêî îñòàíîâèìñÿ ëèøü íà íåñêîëüêèõ èç íèõ. Äîëãîå âðåìÿ äëÿ øàðîâûõ ñêîïëåíèé ïðèíèìàëàñü ìîäåëü Øóñòåðà—Ïëàììåðà. Äâîéíîå íàçâàíèå îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî â 1883 ã. àíãëèéñêèé ôèçèê À. Øóñòåð ïðåäëîæèë åå äëÿ îïèñàíèÿ âíóòðåííåãî ñòðîåíèÿ çâåçä (êàê ãðàâèòèðóþùèõ ãàçîâûõ øàðîâ), à Êîðîëåâñêèé àñòðîíîì Èðëàíäèè Ã. Ïëàììåð ïðèìåíèë åå â 1911 ã. ê øàðîâûì ñêîïëåíèÿì (êîòîðûå òîæå ðàññìàòðèâàëèñü òîãäà êàê øàðû «ãàçà», «ìîëåêóëàìè» êîòîðîãî ñëóæàò çâåçäû).  ìîäåëè Øóñòåðà—Ïëàììåðà ïëîòíîñòü r0 . r(r ) = 2 (1 + r /r 02 ) 5 / 2 Çäåñü è äàëåå r0, r0, P0 — ïàðàìåòðû ìîäåëè. Òîãäà P (r ) = –
P0 2
(1 + r /r 02 ) 1 / 2
.
Òàðòóñêèé àñòðîíîì Ãðèãîðèé Ãðèãîðüåâè÷ Êóçìèí â 1954 ã. ïîêàçàë, ÷òî àíàëîãè÷íàÿ ôóíêöèÿ P(R) ïðèìåíèìà ê ñèëüíî ñïëþñíóòûì ãàëàêòèêàì.  1959 ã. ôðàíöóçñêèé òåîðåòèê Ìèøåëü Ýíîí ïðåäëîæèë ñôåðè÷åñêóþ ìîäåëü, äëÿ êîòîðîé 2 P0 . P (r ) = 1 + 1 + r 2 /r 02
Êàçàëîñü áû, îòëè÷èå îò ìîäåëè Øóñòåðà—Ïëàììåðà íåâåëèêî. Íî â ïîñëåäíåé ïëîòíîñòü óáûâàåò íà ïåðèôåðèè êàê r–5, à â ìîäåëè Ýíîíà — êàê r–4. Ýíîí ïðèøåë ê ñâîåé ìîäåëè, ðåøàÿ ñëåäóþùóþ òåîðåòè÷åñêóþ çàäà÷ó: íàéòè ñèëîâîå ïîëå, â êîòîðîì (êàê è â ïîëå òÿãîòåíèÿ òî÷å÷íîé ìàññû) ïåðèîä îáðàùåíèÿ ÷àñòèö, âûëåòåâøèõ èç îäíîé òî÷êè ñî ñêîðîñòÿìè, ðàâíûìè ïî âåëè÷èíå, íî ðàçëè÷íûìè ïî íàïðàâëåíèþ, îäèí è òîò æå. Ìîæíî áûëî áû äóìàòü, ÷òî çàäà÷à ïðåäñòàâëÿåò ÷èñòî àêàäåìè÷åñêèé èíòåðåñ. Îêàçàëîñü, îäíàêî, ÷òî ïîñòðîåííàÿ Ýíîíîì èçîõðîííàÿ ìîäåëü ÷àñòî ëó÷øå îïèñûâàåò ðåàëü-
72
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
íûå ñêîïëåíèÿ, ÷åì ìîäåëü Øóñòåðà—Ïëàììåðà, à âûðàæåíèå äëÿ P(R) ìîæíî ñ óñïåõîì èñïîëüçîâàòü è äëÿ ãàëàêòèê. Ã. Ã. Êóçìèí è åãî ó÷åíèêè Þ.-È. Ê. Âåëòìàíí è Ã. À. Ìàëàñèäçå â 1969–1973 ãã. íàøëè ñåìåéñòâî îáîáùåííî-èçîõðîííûõ ìîäåëåé, âêëþ÷àþùèõ êàê ÷àñòíûå ñëó÷àè ìîäåëü Ýíîíà, à òàêæå ìîäåëü Øóñòåðà— Ïëàììåðà. Âñå ïëîñêèå îðáèòû Ðèñ. 3.20. Ã. Ã. Êóçìèí. â ýòîì ñåìåéñòâå âûðàæàþòñÿ ñðàâíèòåëüíî ïðîñòî (÷åðåç ýëëèïòè÷åñêèå ôóíêöèè). Îñîáûé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿåò ìîäåëü, êîòîðóþ àâòîðû íàçâàëè «ïðåäåëüíîé» äëÿ äàííîãî ñåìåéñòâà.  íåé P0 P (r ) = 1 + r /r 0
(ò. å. íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ ïîëó÷àåòñÿ ïðèòÿæåíèå òî÷å÷íîé ìàññû), à ïëîòíîñòü r0 . r (r ) = (r /r 0 )(1 + r /r 0 ) 3  1990 ã. ýòó ìîäåëü âíîâü îòêðûë â ÑØÀ Ë. Õåðíêâèñò. Îí ïîêàçàë, ÷òî íà îñíîâå äàííîé ìîäåëè ìîæíî àïïðîêñèìèðîâàòü õîä ïîâåðõíîñòíîé ÿðêîñòè â ãàëàêòèêàõ (òàê íàçûâàåìûé ïðîôèëü äå Âîêóë¸ðà). Ñåé÷àñ ýòó ìîäåëü íåðåäêî èñïîëüçóþò äëÿ ïðåäñòàâëåíèÿ ïëîòíîñòè òåìíîãî ãàëî ãàëàêòèê.
3.7. Ïðîñòðàíñòâåííûå îðáèòû çâåçä Äî ñèõ ïîð îáñóæäàëèñü òîëüêî îðáèòû â ýêâàòîðèàëüíîé ïëîñêîñòè ãàëàêòèê. Èññëåäîâàíèå ïðîñòðàíñòâåííûõ îðáèò — çíà÷èòåëüíî áîëåå òðóäíàÿ çàäà÷à äèíàìèêè, è áîëüøèíñòâî èçâåñòíûõ ñâîéñòâ òàêèõ îðáèò áûëî âûÿâëåíî â ðåçóëüòàòå ÷èñëåííûõ ðàñ÷åòîâ îðáèò, âûïîëíÿâøèõñÿ ñ êîíöà 1950-õ ãã. ñíà÷àëà Ã. Êîíòîïóëîñîì, À. Îëëîíãðåíîì (Íèäåðëàíäû), à çàòåì ìíîãèìè äðóãèìè. Áóäåì ïî-ïðåæíåìó ïðåäïîëàãàòü ðîòàöèîííóþ ñèììåòðèþ ñèñòåìû. Ââåäåì öèëèíäðè÷åñêèå êîîðäèíàòû R, q, z, ïðè÷åì íà ýòîò ðàç óäåëüíàÿ ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ çâåçäû P = P(R, z). Èíòåãðàë ýíåðãèè ïî-ïðåæíåìó ñïðàâåäëèâ è çàïèñûâàåòñÿ â ôîðìå
73
3.7. Ïðîñòðàíñòâåííûå îðáèòû çâåçä
1 E = (vR2 + vq2 + vz2 ) + P ( R , z ) , 2
ãäå vz — êîìïîíåíò ñêîðîñòè çâåçäû â íàïðàâëåíèè îñè z. Ñóùåñòâóåò è èíòåãðàë ïëîùàäåé h = Rvq. Çíàíèå ýòèõ äâóõ èíòåãðàëîâ ïîçâîëÿåò îãðàíè÷èòü îáëàñòü âîçìîæíûõ äâèæåíèé çâåçäû òðóáêîé (ïîâåðõíîñòüþ íóëåâûõ ñêîðîñòåé), óðàâíåíèå êîòîðîé èìååò âèä: P( R , z ) +
1 h2 = E. 2 R2
Äëÿ áîëåå íàãëÿäíîãî ïðåäñòàâëåíèÿ äâèæåíèé ñòðîèòñÿ òàê íàçûâàåìàÿ ñîïóòñòâóþùàÿ ïëîñêîñòü R, z. Ïåðåñå÷åíèå åå ñ ïîâåðõíîñòüþ íóëåâûõ ñêîðîñòåé äàåò îâàë, âíóòðè êîòîðîãî áóäåò òî÷êà, èçîáðàæàþùàÿ çâåçäó ñ äàííûìè çíà÷åíèÿìè èíòåãðàëîâ E, h. Ïî ðåçóëüòàòàì ÷èñëåííûõ ðàñ÷åòîâ ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî íàðÿäó ñ èíòåãðàëàìè ýíåðãèè E è ìîìåíòà èìïóëüñà h ÷àùå âñåãî ñóùåñòâóåò åùå îäèí, òðåòèé èíòåãðàë äâèæåíèÿ I3. Äåéñòâèå èíòåãðàëà ïðîÿâëÿåòñÿ, â ÷àñòíîñòè, â òîì, ÷òî îðáèòû «ïðèæèìàþòñÿ» ê ýêâàòîðèàëüíîé ïëîñêîñòè, ò. å. âîçíèêàåò ïðåïÿòñòâèå âûðàâíèâàíèþ ýíåðãèé äâèæåíèé â ïëîñêîñòè z = 0 è ïåðïåíäèêóëÿðíî ê íåé. Ïðè äâèæåíèè â ïîëå îäíîðîäíîãî ýëëèïñîèäà ýòîò èíòåãðàë ëåãêî çàïèñàòü â ÿâíîì âèäå. Äåéñòâèòåëüíî, â ýòîì ñëó÷àå 1 1 P( R , z ) = - Q 02 + Q R2 R 2 + Q z2 z 2 . 2 2
Òîãäà êîëåáàíèÿ çâåçäû ïî R è ïî z ïðîèñõîäÿò íåçàâèñèìî, è äëÿ äâèæåíèé ïî z ñóùåñòâóåò ñâîé èíòåãðàë ýíåðãèè 1 1 I 3 = v2z + Q 2z z 2 , 2 2
ðàâíûé ñóììå êèíåòè÷åñêîé è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèé êîëåáàíèé ïî z. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî ÷àñòîòà êîëåáàíèé çâåçäû â âåðòèêàëüíîì íàïðàâëåíèè ðàâíà Qz, à àìïëèòóäà êîëåáàíèé zm = (2I3)1/2/Qz ,
ò. å. çàâèñèò òîëüêî îò I3. Íà ñîïóòñòâóþùåé ïëîñêîñòè çâåçäà ïëîòíî çà÷åð÷èâàåò ïðÿìîóãîëüíóþ îáëàñòü — «ÿùèê» (ðèñ. 3.21). Øèðîêèé êëàññ áîëåå ðåàëèñòè÷åñêèõ ìîäåëåé ãàëàêòèê, äëÿ êîòîðûõ ìîæíî çàïèñàòü ÿâíîå âûðàæåíèå äëÿ òðåòüåãî èíòåãðàëà, â 1954 ã. íàøåë Ã. Ã. Êóçìèí. Äëÿ ýòèõ ìîäåëåé îðáèòà çàïîëíÿåò íà ñîïóòñòâóþùåé ïëîñêîñòè «ÿùèê», îãðàíè÷åííûé äâóìÿ ãèïåðáîëàìè è äâóìÿ ýëëèïñàìè (ðèñ. 3.22). Òàêèìè æå ÿâëÿþòñÿ îðáèòû â èçâåñò-
74
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
íîé â íåáåñíîé ìåõàíèêå çàäà÷å äâóõ íåïîäâèæíûõ öåíòðîâ, êîòîðóþ ðåøèë åùå Ë. Ýéëåð. C êîíöà R 1950-õ ãã. îíà èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ äâèæåíèÿ ñïóòíèêîâ â ïîëå ãåîïîòåíöèàëà. Îäíàêî ýòîò êëàññ îõâàòûâàåò äàëåêî íå Ðèñ. 3.21. ßùèêîîáðàçíàÿ îðáèòà â ïðî- âñå ìûñëèìûå ìîäåëè çâåçäíûõ åêöèè íà ñîïóòñòâóþùóþ ïëîñêîñòü. ñèñòåì, è íå âèäíî êàêèõ-ëèáî ôèçè÷åñêèõ ïðåèìóùåñòâ ìîäåëåé Êóçìèíà ïåðåä ïðî÷èìè. Êîíòîïóëîñ è äðóãèå ñïåöèàëèñòû ïî çâåçäíîé äèíàìèêå ðàçðàáàòûâàëè ìåòîäû ïðèáëèæ¸ííîãî íàõîæäåíèÿ òðåòüåãî èíòåãðàëà â îáùåì ñëó÷àå, ïðè÷åì èõ òåîðåòè÷åñêèå ðåçóëüòàòû îêàçàëèñü â õîðîøåì ñîãëàñèè ñ ðåçóëüòàòàìè ÷èñëåííûõ ðàñ÷åòîâ. Âûÿñíèëîñü, îäíàêî, ÷òî ïðèðîäà ñëèøêîì ñëîæíà äàæå äëÿ ñîâðåìåííûõ òåîðåòèêîâ (âñïîìèíàåòñÿ ïðèâåäåííîå âûøå âûñêàçûâàíèå Øàãèíà).  õîäå ÷èñëåííûõ ýêñïåðèìåíòîâ îáíàðóæèëèñü îðáèòû, äëÿ êîòîðûõ íå ñóùåñòâóåò òðåòüåãî èíòåãðàëà: ïîâåäåíèå òàêèõ îðáèò õàîòè÷íî è â ïðèíöèïå íåïðåäñêàçóåìî (ðèñ. 3.23). Ñóùåñòâîâàíèÿ õàîòè÷åñêèõ îðáèò ìîæíî áûëî îæèäàòü íà îñíîâå òåîðèè Êîëìîãîðîâà—Àðíîëüäà—Ìîçåðà, ÿâëÿþùåéñÿ ñàìûì âûäàþùèìñÿ äîñòèæåíèåì ñîâðåìåííîé äèíàìèêè. Ïîñêîëüêó äàæå îñíîâû ýòîé òåîðèè âåñüìà ñëîæíû, ìû îãðàíè÷èìñÿ î÷åíü ãðóz áûì îïèñàíèåì äâóõ èç ÷èñëà âîçìîæíûõ ìåõàíèçìîâ õàîòèçàöèè îðáèò. Îáà îíè ñâÿçàíû ñ ðåçêèì èçìåíåíèåì ñèëîâîãî ïîëÿ âäîëü îðáèòû çâåçäû. +z0 Ñíà÷àëà ðàññìîòðèì ìîäåëü íåñôåðè÷åñêîé ãàëàêòèêè ñ ðåçêî âûðàæåííûì ÿäðîì. Ïóñòü R çâåçäà ïîäëåòàåò ê ÿäðó ïî óïîðÿäî÷åííîé îðáèòå. Òîãäà ÿäðî «ïåðåêèäûâàåò» çâåçäó íà äðóãóþ –z0 îðáèòó, è òàê ïðîèñõîäèò ïðè êàæäîì ïðèáëèæåíèè çâåçäû ê ÿäðó. Ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî çâåçäû õàîòè÷åñêè áëóæäàþò ìåæäó ðàçëè÷íûìè óïîðÿäî÷åííûìè îðáèòaìè. Ðèñ. 3.22. Îáëàñòü, çàÒåïåðü ðàññìîòðèì ìîäåëü ãàëàêòèêè, ó êîòîïîëíÿåìàÿ îðáèòîé ðîé ðåçêî âûäåëÿåòñÿ ïëîòíàÿ ýêâàòîðèàëüíàÿ íà ñîïóòñòâóþùåé ïëîñêîñòè, â ñëó÷àå ïëîñêîñòü. Ã. Ã. Êóçìèí â 1956 ã. îïèñàë ñëåäóþìîäåëåé Ã. Ã. Êóçìèíà. ùóþ ìîäåëü ãðàâèòèðóþùåãî äèñêà. Íàõîäÿñü z
75
3.8. Òåîðåìà âèðèàëà
âûøå äèñêà, çâåçäà äâèæåòñÿ Z, ïî êåïëåðîâñêîìó ýëëèïñó, êïê êàê åñëè áû íà íåå äåéñòâîâà–10 ëà òî÷å÷íàÿ ìàññà, ðàñïîëîæåííàÿ ïîä ïëîñêîñòüþ äèñ- 5 êà. Ïîñëå ïåðåñå÷åíèÿ ïëîñêî- 0 ñòè íà çâåçäó êàê áû äåéñòâóåò äðóãàÿ òî÷å÷íàÿ ìàññà, ðàñ- –5 ïîëîæåííàÿ íà ýòîò ðàç âûøå –10 ïëîñêîñòè. Òàêèì îáðàçîì, îð–15 áèòà ñîñòîèò èç äóã ýëëèïñîâ. –20 –15 –10 –5 0 5 10 15 R, êïê  òî æå âðåìÿ îðáèòà îñòàåòÐèñ. 3.23. Õàî òè ÷å ñêàÿ îð áè òà. Çàøòðèñÿ óïîðÿäî÷åííîé. Äëÿ äàíõîâàí äèñê ãàëàêòèêè. íîé ìîäåëè ñóùåñòâóåò òðåòèé èíòåãðàë.  2001 ã. À. Òîëàéí ðàññìîòðåë íåìíîãî áîëåå ñëîæíóþ ìîäåëü è îáíàðóæèë, ÷òî êîãäà îðáèòû ñòàíîâÿòñÿ õàîòè÷åñêèìè, ïðîèñõîäèò ñëó÷àéíîå ïåðåñêàêèâàíèå ñ îäíîãî êåïëåðîâñêîãî ýëëèïñà íà äðóãîé.  2005 ã. Ê. Õàíòåð çàìåíèë â ýòîé ìîäåëè áåñêîíå÷íî òîíêèé äèñê íà äèñê êîíå÷íîé òîëùèíû. Ñâîéñòâî õàîòèçàöèè îðáèò ïðè ýòîì ñîõðàíèëîñü. Ê ñ÷àñòüþ èëè íåò, íî ïðè äâèæåíèè â ðîòàöèîííî-ñèììåòðè÷íîì ïîëå õàîòè÷åñêèå îðáèòû, ïî-âèäèìîìó, ðåäêè. Ñèòóàöèÿ ìåíÿåòñÿ, åñëè ìû ðàññìîòðèì òðåõîñíûå ìîäåëè ãàëàêòèê. Ã. Ã. Êóçìèí â 1973 ã. ïîêàçàë, ÷òî âîçìîæíû òðåõîñíûå íåâðàùàþùèåñÿ ìîäåëè çâåçäíûõ ñèñòåì. Äëÿ ìîäåëåé Êóçìèíà ñóùåñòâîâàëî òðè èíòåãðàëà äâèæåíèÿ, êîòîðûå ìîæíî áûëî âûïèñàòü â ÿâíîì âèäå.  1970– 1980-å ãã. àñòðîíîìû ïðèøëè ê çàêëþ÷åíèþ, ÷òî áîëüøèíñòâî ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê ÿâëÿåòñÿ òðåõîñíûìè, è ðåçêî âîçðîñ èíòåðåñ ê ïîñòðîåíèþ òàêèõ ìîäåëåé. Áûëè ïîñòðîåíû áîëåå ñëîæíûå ìîäåëè òðåõîñíûõ ãàëàêòèê, è îêàçàëîñü, ÷òî äëÿ íèõ äîëÿ õàîòè÷åñêèõ îðáèò ÿâëÿåòñÿ çàìåòíîé, ÷òî ïðèâîäèò ê ïðèíöèïèàëüíûì òðóäíîñòÿì ïðè ìîäåëèðîâàíèè òàêèõ ñèñòåì.
3.8. Òåîðåìà âèðèàëà  XIX â. Æ.-Ë. Ëàãðàíæ è Ê. Ã. ßêîáè âûâåëè äëÿ ñèñòåìû N ãðàâèòèðóþùèõ òåë ñîîòíîøåíèå, ñâÿçûâàþùåå êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ, ïîòåíöèàëüíóþ ýíåðãèþ è ìîìåíò èíåðöèè. Èç íåãî âûòåêàåò, ÷òî äëÿ ñòàöèîíàðíûõ ñèñòåì âûïîëíÿåòñÿ ðàâåíñòâî 2K + W = 0,
76
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä N
ãäå K =
N
1 å mi vi2 — êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ, W = -G å mi m j /rij — ïîòåíöè2 i =1 i >j
àëüíàÿ ýíåðãèÿ (mi — ìàññà i-ãî òåëà, rij — ðàññòîÿíèå ìåæäó i-ì è j-ì òåëàìè). Ýòî ñîîòíîøåíèå âûðàæàåò òåîðåìó âèðèàëà äëÿ ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåì. Íåìåöêîå íàçâàíèå Virial ïðîèñõîäèò îò ëàòèíñêîãî vires, ìíîæåñòâåííîãî ÷èñëà îò vis — ñèëà. Åãî äàë íåìåöêèé ôèçèê Ð. Êëàóçèóñ äëÿ àíàëîãè÷íîãî (áîëåå îáùåãî) ñîîòíîøåíèÿ, âûâåäåííîãî èì â òåîðèè ãàçîâ. Ê çâåçäíûì ñèñòåìàì òåîðåìó âèðèàëà ïåðâûìè ïðèìåíèëè À. Ïóàíêàðå è À. Ñ. Ýääèíãòîí 100 ëåò íàçàä. Òåîðåìà âèðèàëà èìååò ðÿä âàæíûõ ñëåäñòâèé. Ñíà÷àëà ïîêàæåì, ÷òî åå ìîæíî èñïîëüçîâàòü äëÿ îöåíêè ìàññ òàêèõ ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåì, êàê, íàïðèìåð, ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê. Äëÿ ïðîñòîòû áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî ñèñòåìà íå âðàùàåòñÿ. Òîãäà 1 K = Ms2, 2
ãäå M — ìàññà ñèñòåìû, s2 — ñðåäíÿÿ ïî ñèñòåìå äèñïåðñèÿ ñêîðîñòåé. Èç ñîîáðàæåíèé ðàçìåðíîñòåé ìîæíî çàïèñàòü, ÷òî ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ W = –GM 2/L,
ãäå L ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê õàðàêòåðíûé ðàçìåð ñèñòåìû. Äëÿ îäíîðîäíîãî øàðà ðàäèóñà r* ëåãêî íàéòè, ÷òî L = (5/3)r*, à åñëè ñèñòåìà îáëàäàåò ìàññèâíûì ÿäðîì ìàëûõ ðàçìåðîâ, òî è L ìàëî. Ïîëó÷àåì, ÷òî Ms2 = GM2/L, ò. å. ìàññà ñèñòåìû M = Ls2/G.
Èçìåðÿÿ ëó÷åâûå ñêîðîñòè ãàëàêòèê, âõîäÿùèõ â ñêîïëåíèå, ìîæíî îöåíèòü s2 (ñ îøèáêîé â äâà-òðè ðàçà, ïîñêîëüêó ìû çíàåì òîëüêî ëó÷åâûå ñêîðîñòè, à àíèçîòðîïèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòåé íåèçâåñòíà). Çíàÿ óãëîâîé äèàìåòð ñêîïëåíèÿ è ðàññòîÿíèå äî íåãî (íàïðèìåð, ïî çàêîíó Õàááëà), ìû ñìîæåì îöåíèòü L (òàêæå ñ íå î÷åíü âûñîêîé òî÷íîñòüþ). Òîãäà ïî ïðèâåäåííîé âûøå ôîðìóëå îöåíèâàåòñÿ ìàññà ñêîïëåíèÿ, êîòîðàÿ íàçûâàåòñÿ âèðèàëüíîé ìàññîé.  1930-å ãã. Ô. Öâèêêè ïåðâûì ïûòàëñÿ îïðåäåëèòü ìàññû ñêîïëåíèé ãàëàêòèê. Îí íàøåë, ÷òî âèðèàëüíûå ìàññû ñóùåñòâåííî — íà ïîðÿäêè âåëè÷èí! — áîëüøå, ÷åì ìîæíî áûëî áû îæèäàòü, ïðîñóììèðîâàâ ìàññû ãàëàêòèê, âõîäÿùèõ â ñêîïëåíèå. Ìíîãî÷èñëåííûå ïîñëåäóþùèå èññëåäîâàòåëè ïðèøëè ê òîìó æå ðåçóëüòàòó.  ýòîì ñîñòîèò, êàê ñòàëè ãîâîðèòü, âèðèàëüíûé ïàðàäîêñ.
3.8. Òåîðåìà âèðèàëà
77
Ïðåäïðèíèìàëèñü ðàçíîîáðàçíûå ïîïûòêè óñòðàíèòü ýòîò ïàðàäîêñ. Íàïðèìåð, ïóñòü íà äàííîå ñêîïëåíèå ñëó÷àéíî ïðîåöèðóåòñÿ íåñêîëüêî ãàëàêòèê, íå ïðèíàäëåæàùèõ ñêîïëåíèþ. Òîãäà îøèáêà, êîòîðóþ ìû ñîâåðøèì ïðè ïîäñ÷åòå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè, ïðè÷èñëèâ ê ñêîïëåíèþ ýòè ñëó÷àéíî ïðîåöèðóþùèåñÿ ãàëàêòèêè, áóäåò çíà÷èòåëüíîé. Íî äàæå ó÷åò ïîäîáíûõ ýôôåêòîâ íå ïîìîã óñòðàíèòü ïðåâûøåíèå K íàä |W| íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ. Íåêîòîðûå àâòîðû ïðåäëàãàþò «ïîäïðàâèòü» íüþòîíîâñêèé çàêîí ãðàâèòàöèè äëÿ áîëüøèõ ðàññòîÿíèé, è òîãäà èçìåíèòñÿ ñîîòíîøåíèå ìåæäó êèíåòè÷åñêîé è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèÿìè. Ñ ýòîé öåëüþ èçðàèëüñêèé ôèçèê Ì. Ìèëãðîì ðàçðàáîòàë òåîðèþ, ïîëó÷èâøóþ íàçâàíèå ÌÎÍÄ (ìîäèôèöèðîâàííàÿ íüþòîíîâñêàÿ äèíàìèêà). Ê íåé ñêëîíÿåòñÿ ðÿä âèäíûõ ñïåöèàëèñòîâ ïî äèíàìèêå çâåçäíûõ ñèñòåì, íî ôèçèêè â ïîäàâëÿþùåì áîëüøèíñòâå íå ïðèçíàþò ýòó òåîðèþ. Íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûìè êàçàëèñü äâà ïóòè ðåøåíèÿ âèðèàëüíîãî ïàðàäîêñà. Ïåðâûé èç íèõ ñîñòîÿë â ñëåäóþùåì. Ìû ïðåäïîëàãàëè, ÷òî èññëåäóåìàÿ ñèñòåìà ñòàöèîíàðíà. Íî åñëè îíà íåñòàöèîíàðíà, íàïðèìåð ðàñïàäàåòñÿ, òî òåîðåìà âèðèàëà âîîáùå íåïðèìåíèìà. Òàêîâà áûëà òî÷êà çðåíèÿ Â. À. Àìáàðöóìÿíà (à ðàíåå òàêóþ âîçìîæíîñòü îáñóæäàë Ô. Öâèêêè). Íî åñëè äëÿ íåêîòîðûõ íåïðàâèëüíûõ ãðóïï ãàëàêòèê ñóùåñòâåííóþ íåñòàöèîíàðíîñòü åùå è ìîæíî áûëî áû ïðèíÿòü, òî äëÿ òàêèõ ïðàâèëüíûõ ñêîïëåíèé ãàëàêòèê, êàê â Âîëîñàõ Âåðîíèêè, íåñòàöèîíàðíîñòü ìàëîâåðîÿòíà. Ê òîìó æå êîìïüþòåðíûå ðàñ÷åòû äëÿ íåáîëüøèõ ãðóïï ãðàâèòèðóþùèõ òåë ñ îòðèöàòåëüíîé ýíåðãèåé ïîêàçàëè, ÷òî îòêëîíåíèÿ îò âèðèàëüíîãî ðàâíîâåñèÿ â ñðåäíåì äîñòèãàþò ëèøü íåñêîëüêèõ ïðîöåíòîâ. Ïîäàâëÿþùåå áîëüøèíñòâî àâòîðîâ ïðèíèìàåò ñåé÷àñ äðóãîå îáúÿñíåíèå âèðèàëüíîãî ïàðàäîêñà. Åñëè áóëüøàÿ ÷àñòü ìàññû ñêîïëåíèé ãàëàêòèê ñîäåðæèòñÿ íå â âèäå ãàëàêòèê, à â ôîðìå, íåïîñðåäñòâåííî íå íàáëþäàåìîé, òî ïîòåíöèàëüíóþ ýíåðãèþ ìû îöåíèâàåì íåïðàâèëüíî. Ïîýòîìó èç âèðèàëüíîãî ïàðàäîêñà ìû âûâîäèì, ÷òî ïîäàâëÿþùàÿ ÷àñòü âåùåñòâà ñêîïëåíèé ñîäåðæèòñÿ â ôîðìå òåìíîãî âåùåñòâà, êîòîðîå íàçûâàþò òàêæå òåìíîé ìàòåðèåé èëè ñêðûòîé ìàññîé. Òàêîå æå çàêëþ÷åíèå ïî äðóãèì îñíîâàíèÿì (ïî ôîðìå êðèâîé âðàùåíèÿ) äåëàåòñÿ è äëÿ îòäåëüíûõ ãàëàêòèê (ñì. ðàçäåë 7.6). Ïîäðîáíåå òåìíîå âåùåñòâî è eãî ñâÿçü ñ êîñìîëîãèåé è òåìíîé ýíåðãèåé îáñóæäàåòñÿ â ðàáîòàõ ïî êîñìîëîãèè. Âåðíåìñÿ ê òåîðåìå âèðèàëà. Ó ñòàöèîíàðíîé ñèñòåìû ñîõðàíÿåòñÿ åå ýíåðãèÿ: K + W = E = const. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî ó ñòàöèîíàðíûõ
78
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåì ñîõðàíÿþòñÿ êàê êèíåòè÷åñêàÿ, òàê è ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèè: K = –E = const, W = 2E = const. Äëÿ íåâðàùàþùèõñÿ ñèñòåì îòñþäà ïîëó÷àåì, ÷òî 1 E = - Ms2. 2
Âûøå ìû ïèñàëè, ÷òî äëÿ ãðàâèòèðóþùåãî ãàçà s2 = kT/m. Áóäåì ðàññìàòðèâàòü çâåçäíóþ ñèñòåìó êàê «ãàç», «ìîëåêóëàìè» êîòîðîãî ÿâëÿþòñÿ çâåçäû ñ ìàññàìè m, à «òåìïåðàòóðà» T ñâÿçàíà ñ äèñïåðñèåé ñêîðîñòåé ýòèì ñîîòíîøåíèåì. Òîãäà 1 E = –(M/2m)kT = - NkT. 2
Ðàññìîòðèì äâà ðàâíîâåñíûõ ñîñòîÿíèÿ ñèñòåìû, ñ ýíåðãèÿìè E1 è E2 = E1 + DE è òåìïåðàòóðàìè T1 è T2 = T1 + DT. Òîãäà 1 DE = - Nk DT 2 1 è DE/DT = - Nk < 0. 2
Âåëè÷èíà DE/DT íàçûâàåòñÿ òåïëîåìêîñòüþ. Êàê âèäèì, äëÿ ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåì òåïëîåìêîñòü îòðèöàòåëüíà — ïàðàäîêñàëüíûé ðåçóëüòàò ñ òî÷êè çðåíèÿ êëàññè÷åñêîé òåðìîäèíàìèêè.  êîíå÷íîì ñ÷åòå èìåííî îòñþäà ñëåäóåò óñïîêîèòåëüíûé äëÿ íàñ âûâîä, ÷òî â ìèðå ãðàâèòàöèè «òåïëîâàÿ ñìåðòü» íåâîçìîæíà. Òåïåðü ðàññìîòðèì âðàùàþùóþñÿ ãàëàêòèêó. Ñêîðîñòü i-é çâåçäû vi = Vi + vi¢ , ãäå Vi — ñêîðîñòü öåíòðîèäà â òîé òî÷êå, ãäå íàõîäèòñÿ çâåçäà, vi¢ — îñòàòî÷íàÿ ñêîðîñòü. Åñëè ãàëàêòèêà âðàùàåòñÿ òâåðäîòåëüíî, òî Vi = Ri ù, ãäå Ri — ðàññòîÿíèå äî îñè âðàùåíèÿ, à ù — óãëîâàÿ ñêîðîñòü. Òîãäà êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ N
1
N
N
N
i =1
i =1
i =1
åm i (Ri ù + v¢i )2 = 2 w2 åmi R i2 + åm i v¢i 2 + ùåm i R i vi¢ . i =1
Ïîñëåäíåå ñëàãàåìîå îáðàùàåòñÿ â íóëü (ïî îïðåäåëåíèþ îñòàòî÷íîé ñêîðîñòè). Ïîýòîìó N
1 1 K = M s 2 + w2 å m i R i2 . 2 2 i =1
79
3.9. Âðåìÿ ðåëàêñàöèè N
Âåëè÷èíà J = å mi R i2 íàçûâàåòñÿ ìîìåíòîì èíåðöèè îòíîñèòåëüi =1
íî îñè, è îíà çàâèñèò îò ðàñïðåäåëåíèÿ ìàññû â ñèñòåìå. Èòàê, Ms2 + Jw2 = –W.
Òîãäà w2 < (–W )/J.
Òàêèì îáðàçîì, ìû âûâåëè îãðàíè÷åíèå íà óãëîâóþ ñêîðîñòü òâåðäîòåëüíî âðàùàþùèõñÿ ñòàöèîíàðíûõ ñèñòåì. Êà÷åñòâåííî ÿñíî, ÷òî ñòàöèîíàðíûå ñèñòåìû íå ìîãóò âðàùàòüñÿ ñêîëü óãîäíî áûñòðî, èíà÷å îíè ðàçâàëèëèñü áû ïîä äåéñòâèåì öåíòðîáåæíîé ñèëû.  1885 ã. À. Ïóàíêàðå ïîëó÷èë âåðõíèé ïðåäåë äëÿ óãëîâîé ñêîðîñòè â ðåçóëüòàòå äîâîëüíî ñëîæíûõ ðàññóæäåíèé, à çàòåì ýòîò ïðåäåë óòî÷íÿëè äðóãèå àâòîðû. Äàííûé âûøå ýëåìåíòàðíûé âûâîä îãðàíè÷åíèÿ äëÿ w2 íàøåë â 1957 ã. îñíîâîïîëîæíèê îòå÷åñòâåííîé çâåçäíîé äèíàìèêè Êèðèëë Ôåäîðîâè÷ Îãîðîäíèêîâ. Ýòî íåðàâåíñòâî ìîæíî óòî÷íèòü, à òàêæå îáîáùèòü íà íåòâåðäîòåëüíî âðàùàþùèåñÿ ñèñòåìû.
3.9. Âðåìÿ ðåëàêñàöèè Äî ñèõ ïîð ìû íè÷åãî íå ãîâîðèëè îá èððåãóëÿðíûõ ñèëàõ â çâåçäíûõ ñèñòåìàõ. Èãðàþò ëè îíè õîòü êàêóþ-íèáóäü ðîëü? Èñõîäÿ èç âûðàæåíèÿ äëÿ ïàðàìåòðà Àãåêÿíà, ìû çàêëþ÷èëè, ÷òî â ñèñòåìàõ áîëüøîãî ÷èñëà ãðàâèòèðóþùèõ òåë èððåãóëÿðíûå ñèëû ìàëîñóùåñòâåííû. Íî âñå æå â ðåàëüíûõ ñèñòåìàõ îíè äåéñòâóþò è ðàíî èëè ïîçäíî ïðîÿâëÿþò ñåáÿ. Êàêîâî õàðàêòåðíîå âðåìÿ èõ äåéñòâèÿ è êàêèå èçìåíåíèÿ â ñèñòåìå îíè ìîãóò âûçâàòü? Íàèáîëüøèé âêëàä â ñîçäàíèå êëàññè÷åñêîé òåîðèè èððåãóëÿðíûõ ñèë âíåñëè èçâåñòíûå àñòðîôèçèêè Äæåéìñ Äæèíñ (Àíãëèÿ) è Ñóáðàìàíüÿí ×àíäðàñåêàð, èíäèåö ïî ïðîèñõîæäåíèþ, ðàáîòàâøèé â îñíîâíîì â ÑØÀ. Îíè íàøëè, ÷òî èððåãóëÿðíûå ñèëû ñóùåñòâåííî ïðîÿâëÿþò ñåáÿ çà âðåìÿ tr =
s3 . 4 p G 2 m 2 nL 2
Åãî íàçûâàþò âðåìåíåì ðåëàêñàöèè. Çäåñü s2 — äèñïåðñèÿ îñòàòî÷íûõ ñêîðîñòåé, m — ìàññà çâåçäû, n — ÷èñëî çâåçä â åäèíèöå îáúåìà. Âåëè÷èíà L ó÷èòûâàåò âëèÿíèå äàëåêèõ ñáëèæåíèé çâåçä. Îáû÷íî ïîëàãàþò L » ln N , ãäå N — ÷èñëî òåë â ñèñòåìå. Ïðè âûâîäå ýòîãî âûðà-
80
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
æåíèÿ äëÿ âðåìåíè ðåëàêñàöèè ïðåäïîëàãàëîñü, ÷òî ìàññû âñåõ çâåçä îäèíàêîâû. Ïî ïðîøåñòâèè âðåìåíè ðåëàêñàöèè ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé äîëæíî ñòàíîâèòüñÿ èçîòðîïíûì ìàêñâåëëîâñêèì, ïî êðàéíåé ìåðå ïðèáëèæàòüñÿ ê íåìó.  ñôåðè÷åñêèõ ñèñòåìàõ óñòàíàâëèâàåòñÿ òàê íàçûâàåìûé èçîòåðìè÷åñêèé õîä ïëîòíîñòè. Ôîðìóëà äëÿ íåãî íå âûðàæàåòñÿ ÷åðåç ýëåìåíòàðíûå ôóíêöèè, íî, èñêëþ÷àÿ öåíòðàëüíûå îáëàñòè, ìîæíî ñ õîðîøåé òî÷íîñòüþ ñ÷èòàòü, ÷òî r(r) = r0(r0/r)2.  ñèñòåìàõ ñ íåíóëåâûì ìîìåíòîì êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ âðàùåíèå äîëæíî ñòàíîâèòüñÿ òâåðäîòåëüíûì, w(r) = const (Ë. Ý. Ãóðåâè÷, 1954; Ê. Ô. Îãîðîäíèêîâ, 1957). ×èñëåííûå ðàñ÷åòû ïîêàçàëè áëèçîñòü õîäà ïëîòíîñòè ê íàáëþäàåìîìó çàêîíó äå Âîêóë¸ðà.  íàøåé Ãàëàêòèêå äàæå â öåíòðàëüíûõ ÷àñòÿõ âðàùåíèå îïðåäåëåííî íå ÿâëÿåòñÿ òâåðäîòåëüíûì, à ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé àíèçîòðîïíî, òàê ÷òî ðåëàêñàöèÿ åùå íå ïðîèçîøëà. Íî íàáëþäàåìîå øâàðöøèëüäîâñêîå ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé èìååò òàêóþ æå ôîðìó, ÷òî è ìàêñâåëëîâñêîå, è, êàçàëîñü áû, äîëæíî óñòàíàâëèâàòüñÿ â ðåçóëüòàòå ðåëàêñàöèè. Ââåäåì áåçðàçìåðíûé ïàðàìåòð g = V/s (ãäå V — òèïè÷íàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ).  çàâèñèìîñòè îò åãî âåëè÷èíû ìîæíî ñóäèòü î òîì, êàêèå äâèæåíèÿ ïðåîáëàäàþò â ñèñòåìå: óïîðÿäî÷åííûå (âðàùåíèå) èëè îñòàòî÷íûå. Äëÿ Ãàëàêòèêè ã » 10. Ñ÷èòàÿ, ÷òî ñïðàâåäëèâà òåîðåìà âèðèàëà, ëåãêî íàéòè, ÷òî tr 1 N » o1 . tg 3p (1 + g 2 ) 3/2 ln N
 ýòîé ôîðìóëå tg — ââåäåííîå ðàíåå âðåìÿ ïåðåñå÷åíèÿ, ò. å. õàðàêòåðíîå âðåìÿ èçìåíåíèÿ ñèñòåìû ïîä äåéñòâèåì ðåãóëÿðíûõ ñèë. Îòñþäà äëÿ Ãàëàêòèêè tr » 10–5Ntg » 106tg, ò. å. tr » 1014 ëåò. Èòàê, âðåìÿ ðåëàêñàöèè äëÿ Ãàëàêòèêè îêàçàëîñü ïðàêòè÷åñêè áåñêîíå÷íûì, íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ ïðåâûøàþùèì åå âîçðàñò. Ïîýòîìó åñëè îïèðàòüñÿ íà òåîðèþ Äæèíñà—×àíäðàñåêàðà, òî ñëåäóåò ïðèçíàòü ðîëü èððåãóëÿðíûõ ñèë ñîâåðøåííî ïðåíåáðåæèìîé. Òîãäà åñòåñòâåííî ñ÷èòàòü, ÷òî íûíåøíåå ñîñòîÿíèå Ãàëàêòèêè îòðàæàåò â îñíîâíîì óñëîâèÿ åå ôîðìèðîâàíèÿ. Äëÿ øàðîâûõ ñêîïëåíèé tg » 106 ëåò, tr » 108 ëåò. Äëÿ êàðëèêîâûõ ãàëàêòèê tg » 108 ëåò, tr » 1011 ëåò, à äëÿ ñôåðè÷åñêèõ ñêîïëåíèé ãàëàêòèê tg » 1010 ëåò, tr » 1013 ëåò.  ïðàêòè÷åñêîé áåñêîíå÷íîñòè âðåìåíè ðåëàêñàöèè Ê. Ô. Îãîðîäíèêîâ (1957) óâèäåë ïàðàäîêñ êëàññè÷åñêîé çâåçäíîé äèíàìèêè. Äåéñòâèòåëüíî, è ñ ñîâðåìåííîé òî÷êè çðåíèÿ ïðåäñòàâëÿåòñÿ ìàëîâåðîÿò-
3.9. Âðåìÿ ðåëàêñàöèè
81
íûì, ÷òî â õîäå ôîðìèðîâàíèÿ è ýâîëþöèè Ãàëàêòèêè ñ íåé íå ïðîèçîøëè ñòàòèñòè÷åñêè íåîáðàòèìûå èçìåíåíèÿ. Òðåáóåòñÿ îáúÿñíèòü, ïî÷åìó ïëîòíîñòü ãàëàêòèê ñëåäóåò çàêîíó äå Âîêóë¸ðà, à ïîâåðõíîñòíàÿ ïëîòíîñòü ãàëàêòè÷åñêèõ äèñêîâ ïàäàåò ýêñïîíåíöèaëüíî. Ïðîôèëü äå Âîêóë¸ðà ïîëó÷èëñÿ è âî ìíîãèõ êîìïüþòåðíûõ ýêñïåðèìåíòàõ. Âûøå óïîìèíàëàñü çàâèñèìîñòü äèñïåðñèè ñêîðîñòåé çâåçä îò âîçðàñòà. Åùå Ô. Öâèêêè íàøåë, ÷òî õîä ïëîòíîñòè â áîãàòûõ ñêîïëåíèÿõ ãàëàêòèê áëèçîê ê èçîòåðìè÷åñêîìó.  1990-å ãã. áûë âûïîëíåí ðÿä ÷èñëåííûõ ýêñïåðèìåíòîâ, â êîòîðûõ èññëåäîâàëàñü ýâîëþöèÿ ñèñòåìû N ãðàâèòèðóþùèõ òåë (Ã. Êàíäðóï â ÑØÀ è äð.). Îíè ïîêàçàëè, ÷òî ýâîëþöèÿ òàêèõ ñèñòåì äåéñòâèòåëüíî ÿâëÿåòñÿ ñòàòèñòè÷åñêè íåîáðàòèìîé, õîòÿ íàäåæíî îïðåäåëèòü âðåìÿ, çà êîòîðîå ïðîÿâëÿåòñÿ íåîáðàòèìîñòü, íå óäàëîñü. Çà ïîñëåäíèå 50 ëåò îáñóæäàëñÿ ðÿä âîçìîæíûõ ïóòåé ðåøåíèÿ ïàðàäîêñà êëàññè÷åñêîé òåîðèè ðåëàêñàöèè. Óñëîâíî èõ ìîæíî ðàçáèòü íà òðè ãðóïïû. Âî-ïåðâûõ, ñóùåñòâåííûì ìîæåò îêàçàòüñÿ âçàèìîäåéñòâèå çâåçä ñ ìàññèâíûìè îáúåêòàìè, ò. å. ýôôåêòèâíûì ìîæåò îêàçàòüñÿ ðàññåÿíèå íà ìàññèâíûõ îáúåêòàõ. Ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî òîãäà âðåìÿ ðåëàêñàöèè A tr = 2 , mc nc ãäå mc — ìàññà ðàññåèâàòåëåé, nc — èõ ÷èñëî â åäèíèöå îáúåìà, à âåëè÷èíà A ïðàêòè÷åñêè òàêàÿ æå, êàê ïðè ðåëàêñàöèè â ðåçóëüòàòå çâåçäíî-çâåçäíûõ ñáëèæåíèé. Ïîäáèðàÿ mc è nc , ìîæíî ïîëó÷èòü ëþáîå çàðàíåå çàäàííîå âðåìÿ ðåëàêñàöèè. Âû÷èñëÿÿ, êàê ìåíÿåòñÿ ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòåé çâåçä ïðè ðàññåÿíèè íà ìàññèâíûõ îáúåêòàõ, Ë. Ñïèòöåð è Ì. Øâàðöøèëüä (1951) íàøëè óâåëè÷åíèå äèñïåðñèé ñêîðîñòåé ñ âîçðàñòîì â ñîãëàñèè ñ äàííûìè íàáëþäåíèé. Ë. Ý. Ãóðåâè÷ (1954) è Ã. Ã. Êóçìèí (1961) ðàçðàáîòàëè áîëåå äåòàëüíóþ òåîðèþ, ïðåäïîëàãàÿ, ÷òî ìàññèâíûå ðàññåèâàòåëè ëåæàò â ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè è äâèæóòñÿ ïî êðóãîâûì îðáèòàì. Îíè ïîêàçàëè, ÷òî ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé ñòàíîâèòñÿ àíèçîòðîïíûì. Ïî Êóçìèíó, äëÿ îòíîøåíèÿ sR/sq ñïðàâåäëèâà ïðèâîäèâøàÿñÿ âûøå ôîðìóëà Ëèíäáëàäà, à (sR/sz)2 = 1 + (sR/sq)2. Ïîñëåäíÿÿ ôîðìóëà ñîãëàñóåòñÿ ñ äàííûìè íàáëþäåíèé. Êàçàëîñü áû, ïàðàäîêñ ðåëàêñàöèè ðåøåí, ïî êðàéíåé ìåðå äëÿ ïëîñêèõ ïîäñèñòåì. Íî îñòàëñÿ îòêðûòûì îñíîâíîé âîïðîñ: ÷òî ýòî çà «ìàññèâíûå îáúåêòû», âçàèìîäåéñòâèå ñ êîòîðûìè ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ äèñïåðñèé ñêîðîñòåé. Äî ñåðåäèíû 1970-õ ãã. ÿñíîãî îòâåòà íå áûëî. Ïîñëå îòêðûòèÿ ãèãàíòñêèõ ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ ïîÿâèëàñü íàäåæäà,
82
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
÷òî èñêîìûå ðàññåèâàòåëè íàêîíåö íàéäåíû. Áûëî îïóáëèêîâàíî ìíîãî ðàáîò, â êîòîðûõ âíîâü èññëåäîâàëàñü ïðîáëåìà ðåëàêñàöèè. Ê ñîæàëåíèþ, îêàçàëîñü, ÷òî ïðè ìàññàõ è ÷èñëåííîñòè ðåàëüíûõ îáëàêîâ ðàññåÿíèå íà íèõ ïðîèñõîäèò âñå æå ñëèøêîì ìåäëåííî. Âûÿâèëèñü è äðóãèå çàòðóäíåíèÿ òåîðèè. Ïîýòîìó ðàññìàòðèâàëîñü è ðàññåÿíèå çâåçä íà ãèïîòåòè÷åñêèõ îáúåêòàõ, òàêèõ êàê ÷åðíûå äûðû ãàëî Ãàëàêòèêè è òåìíûå ñêîïëåíèÿ, ñîñòîÿùèå èç «þïèòåðîâ», íî ïî ðàçíûì ïðè÷èíàì è îò ýòèõ îáúÿñíåíèé ïðèøëîñü îòêàçàòüñÿ. Eùå â 1960-å ãã. âûñêàçûâàëîñü ïðåäïîëîæåíèå, ÷òî äèñïåðñèÿ ñêîðîñòåé çâåçä ìîæåò óâåëè÷èâàòüñÿ â ðåçóëüòàòå âîçäåéñòâèÿ ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ.  1980-å ãã. Äæ. Ñåëâóä (ÑØÀ) è äð. äåòàëüíî èññëåäîâàëè òàêóþ âîçìîæíîñòü. Ïðè ýòîì ïðèõîäèëîñü ïðåäïîëàãàòü, ÷òî ñïèðàëüíûå âåòâè ñëó÷àéíûì îáðàçîì ïîÿâëÿþòñÿ, à çàòåì ðàñïëûâàþòñÿ â äèñêå Ãàëàêòèêè. Îäíà èç òðóäíîñòåé ýòîé òåîðèè ñîñòîèò â òîì, ÷òî ðàññåÿíèå çâåçä íà ñïèðàëüíûõ ðóêàâàõ, ëåæàùèõ â ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè, íå ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ îñòàòî÷íûõ ñêîðîñòåé çâåçä â âåðòèêàëüíîì íàïðàâëåíèè, ò. å. ðîñòó sz . Ïîýòîìó íàèáîëåå ïðàâäîïîäîáíûì ñ÷èòàåòñÿ êîìáèíèðîâàííîå äåéñòâèå ãèãàíòñêèõ ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ è ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ. Âòîðîé ïîäõîä ê ðåøåíèþ ïàðàäîêñà êëàññè÷åñêîé çâåçäíîé äèíàìèêè ñâîäèòñÿ ê ðåâèçèè òåîðèè Äæèíñà—×àíäðàñåêàðà. Ýòà òåîðèÿ ñòðîèëàñü ïî îáðàçöó êèíåòè÷åñêîé òåîðèè ãàçîâ (âêëàä â êîòîðóþ âíåñ è ìîëîäîé òîãäà ôèçèê Äæ. Äæèíñ). Íî â ãàçå ñèëû âçàèìîäåéñòâèÿ ìîëåêóë î÷åíü áûñòðî ñïàäàþò ñ ðàññòîÿíèåì ìåæäó ìîëåêóëàìè, è îñíîâíûå êà÷åñòâåííî âåðíûå ðåçóëüòàòû ìîæíî ïîëó÷èòü, ðàññìàòðèâàÿ ìîëåêóëû êàê óïðóãî ñîóäàðÿþùèåñÿ øàðû êîíå÷íîãî ðàçìåðà. Ãëàâíîå — ÷òî â ãàçå íåò ðåãóëÿðíûõ ñèë, åñëè òîëüêî íåò âíåøíèõ âîçäåéñòâèé. Èíîå äåëî — ñèñòåìà ãðàâèòàöèîííî âçàèìîäåéñòâóþùèõ çâåçä.  íåé ðåãóëÿðíûå ñèëû ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê âíåøíåå âîçäåéñòâèå, óñêîðÿþùåå ýâîëþöèþ. Ðàññìîòðèì, íàïðèìåð, êàïëþ êðàñêè â ñòàêàíå âîäû.  ðåçóëüòàòå äèôôóçèè êàïëÿ áóäåò ïîñòåïåííî ðàñïëûâàòüñÿ. Åñëè æå ïîìåøèâàòü âîäó ëîæêîé, òî ýòîò ïðîöåññ çàìåòíî óñêîðèòñÿ. Ðåãóëÿðíûå ñèëû èãðàþò òàêóþ æå ðîëü, êàê ïîìåøèâàíèå ëîæêîé. Èäåÿ òàêîãî ïîäõîäà (ðàçâèâàâøåãîñÿ È. Ë. Ãåíêèíûì â Àëìà-Àòå) ÿñíà è íå ìîæåò âûçâàòü ïðèíöèïèàëüíûõ âîçðàæåíèé. Îäíàêî ïîñòðîèòü íà åãî îñíîâå ïðèçíàííóþ êîëè÷åñòâåííóþ òåîðèþ ïîêà íå óäàëîñü. Èíòåðåñíûé ðåçóëüòàò îïóáëèêîâàëè íåäàâíî À. Ñ. Ðàñòîðãóåâ è Â. Í. Ñåìåíöîâ (ÌÃÓ). Ïóñòü t — âðåìÿ, çà êîòîðîå íà÷èíàþò ñòàíîâèòüñÿ çàìåòíûìè ñòîõàñòè÷åñêèå ÿâëåíèÿ (êîíå÷íî, îíî ìåíüøå,
3.10. Áåññòîëêíîâèòåëüíàÿ ðåëàêñàöèÿ
83
÷åì âðåìÿ ðåëàêñàöèè). Îêàçàëîñü, ÷òî åñëè íå ó÷èòûâàòü òåñíûå ñáëèæåíèÿ çâåçä, òî îòíîøåíèå t/tg ìåíÿåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî N1/5, ò. å. ñëàáî çàâèñèò îò ÷èñëà çâåçä. Ýòîò âûâîä êà÷åñòâåííî ñîãëàñóåòñÿ ñ ðåçóëüòàòàìè ÷èñëåííûõ ýêñïåðèìåíòîâ.
3.10. Áåññòîëêíîâèòåëüíàÿ ðåëàêñàöèÿ Îïèñàííûå âûøå ïîäõîäû âïîëíå òðàäèöèîííû. Íî â 1960-å ãã. â äèíàìèêå çâåçäíûõ ñèñòåì ïîÿâèëîñü íîâîå íàïðàâëåíèå: ê ãðàâèòèðóþùèì ñèñòåìàì ñòàëè ïðèìåíÿòü ìåòîäû, ðàçðàáîòàííûå â ôèçèêå ïëàçìû. Ñðåäè ïèîíåðîâ íîâîãî ïîäõîäà áûëè Ä. Ëèíäåí-Áåëë â Àíãëèè è Ë. Ñ. Ìàðî÷íèê è Ì. Í. Ìàêñóìîâ â ÑÑÑÐ.  ðóñëå ýòèõ èññëåäîâàíèé ïîÿâèëîñü ïîíÿòèå áåññòîëêíîâèòåëüíîé ðåëàêñàöèè â çâåçäíûõ ñèñòåìàõ, çàèìñòâîâàííîå èç òåîðèè ïëàçìû. Îñíîâíàÿ èäåÿ åå ñîñòîèò â ñëåäóþùåì: íàäî îòêàçàòüñÿ îò ïðåäñòàâëåíèÿ î òîì, ÷òî äåéñòâèå ðåãóëÿðíûõ ñèë ïðèâîäèò òîëüêî ê ýâîëþöèè, îäíîçíà÷íî îïðåäåëÿåìîé íà÷àëüíûìè óñëîâèÿìè. Ðàçâèâøàÿñÿ êàê ðàç â ýòî âðåìÿ êîíöåïöèÿ äåòåðìèíèðîâàííîãî õàîñà, èëè ñòîõàñòè÷åñêîé íåóñòîé÷èâîñòè íåëèíåéíûõ êîëåáàíèé (âîñõîäÿùàÿ ê ãåíèàëüíûì äîãàäêàì À. Ïóàíêàðå), ïîêàçàëà, ÷òî â áîëüøèíñòâå ñèñòåì, îïèñûâàåìûõ íåëèíåéíûìè äèôôåðåíöèàëüíûìè óðàâíåíèÿìè, ìàëûå èçìåíåíèÿ â íà÷àëüíûõ óñëîâèÿõ ìîãóò ïðèâåñòè ê íåïðåäñêàçóåìûì ïîñëåäñòâèÿì. Èñõîäíûå óðàâíåíèÿ ìîãóò áûòü îáðàòèìûìè âî âðåìåíè, è äëÿ íèõ ìîæåò âûïîëíÿòüñÿ óïîìèíàâøèéñÿ âûøå ïðèíöèï ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííóé ñèììåòðèè. Íî íàáëþäàòåëü, ðàñïîëàãàþùèé ìèêðîñêîïîì ëèøü êîíå÷íîé ðàçðåøàþùåé ñèëû, ñäåëàåò âûâîä, ÷òî â ñèñòåìå ïðîèçîøëà íåîáðàòèìàÿ ýâîëþöèÿ. Ïðèìåíÿÿ ýòè îáùèå ñîîáðàæåíèÿ ê äèíàìèêå ãàëàêòèê, â ïåðâóþ î÷åðåäü âñïîìíèì, ÷òî ïðîñòðàíñòâåííûå îðáèòû ìîãóò áûòü õàîòè÷åñêèìè. Åñëè áû áîëüøèíñòâî îðáèò â ãàëàêòèêàõ áûëè òàêèìè, òî äåéñòâèòåëüíî ïðîèçîøëà áû ñâîåãî ðîäà ðåëàêñàöèÿ, êîòîðàÿ ïðèâåëà áû ê âûðàâíèâàíèþ ïëîòíîñòè è ðàñïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòåé. ×èñëåííî ïîäîáíûå ïðîöåññû èññëåäîâàëè Ä. Ïôåííèãåð (Øâåéöàðèÿ), Ã. Êàíäðóï è äð. Âïîëíå âîçìîæíî, ÷òî ýòè ïðîöåññû çàìåòíû â òðåõîñíûõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèêàõ è ñïèðàëüíûõ ñèñòåìàõ òèïà SB. Íî òàêàÿ ðåëàêñàöèÿ, ïî-âèäèìîìó, íå èãðàåò áîëüøîé ðîëè â äèíàìèêå ãàëàêòèê, îáëàäàþùèõ â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè ðîòàöèîííîé ñèììåòðèåé, òàê êàê â íèõ äîëÿ õàîòè÷åñêèõ îðáèò, âåðîÿòíî, î÷åíü ìàëà. Ñãëàæåííîå ãðàâèòàöèîííîå ïîëå çâåçäíûõ ñèñòåì íå áûëî íåèçìåííûì â òå÷åíèå âñåãî âðåìåíè èõ ñóùåñòâîâàíèÿ. Íå ÿâëÿåòñÿ â
84
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
òî÷íîñòè ñòàöèîíàðíûì îíî è ñåé÷àñ. Íàïðèìåð, îäíèì èç èñòî÷íèêîâ ïîñòîÿííîé íåñòàöèîíàðíîñòè ìîãóò áûòü âíåøíèå âîçäåéñòâèÿ îò äðóãèõ ãàëàêòèê, êîòîðûå ñëåäóåò ñ÷èòàòü ñëó÷àéíûìè. Êàæäàÿ çâåçäà, äâèãàÿñü ïîä äåéñòâèåì ðåãóëÿðíîé ñèëû, ïîñòîÿííî èñïûòûâàåò ñëó÷àéíûå òîë÷êè. Íàêîïëåíèå òàêèõ òîë÷êîâ äåñòàáèëèçèðóåò ñèñòåìó è â êîíå÷íîì ñ÷åòå òàêæå ïðèâîäèò ê áåññòîëêíîâèòåëüíîé ðåëàêñàöèè. Âíåøíèå âîçäåéñòâèÿ, à òàêæå ðàçíîîáðàçíûå âíóòðåííèå ïðîöåññû ïðèâîäÿò ê âîçáóæäåíèþ êîëåáàíèé ñîáñòâåííîãî ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ ñèñòåìû, òàêæå Ðèñ. 3.24. Äîíàëüä ñëó÷àéíûì îáðàçîì èñêàæàþùèõ çâåçäËèíäåí-Áåëë. íûå îðáèòû. Ê ñîæàëåíèþ, äåòàëè ïîäîáíûõ ïðîöåññîâ ïîêà ïëîõî èçó÷åíû. Èçëîæåíèå ñîâðåìåííûõ ïðåäñòàâëåíèé î ïðîèñõîæäåíèè è ðàííåé ýâîëþöèè ãàëàêòèê íå âõîäèò â íàøó çàäà÷ó. Ñóùåñòâåííî ëèøü òî, ÷òî â ïðîøëîì ðåãóëÿðíûå ñèëû â ãàëàêòèêàõ èñïûòûâàëè ñèëüíûå ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííû2å èçìåíåíèÿ, êîòîðûå ìîãëè áûòü ñëó÷àéíûìè. Ïëîòíîñòü è ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé ïîäâåðãëèñü ïðè ýòîì çíà÷èòåëüíûì íåîáðàòèìûì èçìåíåíèÿì, êîòîðûå â êîíöå êîíöîâ çà âðåìÿ ïîðÿäêà tg ïðèâåëè ê íàáëþäàåìîé ñòðóêòóðå ãàëàêòèê. Äîíàëüä Ëèíäåí-Áåëë (1967) íàçâàë ýòîò ïðîöåññ áóðíîé ðåëàêñàöèåé (violent relaxation). Îí ïîñòðîèë ñòàòèñòè÷åñêóþ ìåõàíèêó áóðíîé ðåëàêñàöèè, ïðåäñòàâëÿþùóþ çíà÷èòåëüíûé îáùåíàó÷íûé èíòåðåñ. Ïî Ëèíäåí-Áåëëó, åñëè áû áóðíàÿ ðåëàêñàöèÿ çàâåðøèëàñü, òî óñòàíàâëèâàëîñü áû íå ìàêñâåëëîâñêîå, à ôåðìè-äèðàêîâñêîå ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé, èçâåñòíîå â êâàíòîâîé òåîðèè. Êñòàòè, â Ãàëàêòèêå ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé çâåçä îòêëîíÿåòñÿ îò ìàêñâåëëîâñêîãî (øâàðöøèëüäîâñêîãî), ïî-âèäèìîìó, ñêîðåå â ïðîòèâîïîëîæíóþ ñòîðîíó (Ð. Á. Øàöîâà). Îáùèå êà÷åñòâåííûå ñîîáðàæåíèÿ è ÷èñëåííûå ýêñïåðèìåíòû ïðèâîäÿò ê çàêëþ÷åíèþ, ÷òî áóðíàÿ ðåëàêñàöèÿ îêàçûâàåòñÿ òåì áîëåå ïîëíîé, ÷åì ñèëüíåå íà÷àëüíàÿ íåñòàöèîíàðíîñòü, à ïðè ñëàáîé íåñòàöèîíàðíîñòè îêàçûâàåòñÿ íåçàâåðøåííîé.  òåîðèè áóðíîé ðåëàêñàöèè îñòàåòñÿ ðÿä íåðåøåííûõ âîïðîñîâ. Õàðàêòåðíî íàçâàíèå ñðàâíèòåëüíî íåäàâíåé ñòàòüè Ä. Ëèíäåí-Áåëëà ñ ñîàâòîðîì: «Î íåñîñòîÿòåëüíîñòè òåîðèé áóðíîé ðåëàêñàöèè». Ñ àñòðîíîìè÷å-
3.11. Äèíàìè÷åñêîå òðåíèå
85
ñêîé òî÷êè çðåíèÿ âàæíåéøåé ÿâëÿåòñÿ ñëåäóþùàÿ ïðîáëåìà: êàêîå êîíêðåòíîå ôèçè÷åñêîå ÿâëåíèå ïðèâîäèò ê áóðíîé ðåëàêñàöèè. Ðåçþìèðóÿ, ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî â èñòîðèè íàøåé Ãàëàêòèêè è äðóãèõ çâåçäíûõ ñèñòåì, íåñîìíåííî, ïðîèçîøëè íåîáðàòèìûå èçìåíåíèÿ, íî êîíêðåòèçèðîâàòü ýòî óòâåðæäåíèå ìû ïîêà íå ìîæåì.
3.11. Äèíàìè÷åñêîå òðåíèå Èððåãóëÿðíûå ñèëû ìîãóò ïðîÿâëÿòüñÿ íå òîëüêî íåïîñðåäñòâåííî. Âàæíûì ÿâëÿåòñÿ ýôôåêò, ïîëó÷èâøèé íàçâàíèå äèíàìè÷åñêîå òðåíèå. Åãî îòêðûë â 1943 ã. Ñ. ×àíäðàñåêàð èç íåñêîëüêî ôîðìàëüíûõ ñîîáðàæåíèé. Îí ïîêàçàë, ÷òî â ðåçóëüòàòå äåéñòâèÿ èððåãóëÿðíûõ ñèë çâåçäû â ñðåäíåì çàìåäëÿþòñÿ â íàïðàâëåíèè äâèæåíèÿ, òàê êàê äëÿ áûñòðûõ çâåçä áîëåå âåðîÿòíî çàìåäëåíèå, à äëÿ ìåäëåííûõ ïîëîæèòåëüíûå è îòðèöàòåëüíûå ïðèðàùåíèÿ ñêîðîñòè â íàïðàâëåíèè äâèæåíèÿ ïðèìåðíî îäèíàêîâû. Íàãëÿäíî ïðè÷èíó äèíàìè÷åñêîãî òðåíèÿ ðàçúÿñíèëè â 1949 ã. Ò. À. Àãåêÿí è â 1950-å ãã. — ñïåöèàëèñòû ïî ôèçèêå ïëàçìû. Ïóñòü ìàññèâíîå òåëî (áóäåì íàçûâàòü åãî çâåçäíûì ñêîïëåíèåì) ïðîëåòàåò ÷åðåç ñðåäó, çàïîëíåííóþ íåïîäâèæíûìè ìàëîìàññèâíûìè òåëàìè (çâåçäàìè). Êàæäàÿ çâåçäà îáëåòàåò ñêîïëåíèå ïî ãèïåðáîëè÷åñêîé îðáèòå: ïðîèñõîäèò, êàê ãîâîðÿò, ãðàâèòàöèîííàÿ ôîêóñèðîâêà — çà ñêîïëåíèåì òÿíåòñÿ ïëîòíûé øëåéô èç çâåçä (ðèñ. 3.25). Ýòîò ýôôåêò íàçûâàþò ïîëÿðèçàöèåé, è îí ÿâëÿåòñÿ îñíîâíîé ïðè÷èíîé äèíàìè÷åñêîãî òðåíèÿ, åñëè ìàññà ñêîïëåíèÿ ìíîãî áîëüøå ìàññû çâåçä. Ãðàâèòàöèîííîå âîçäåéñòâèå ñî ñòîðîíû øëåéôà òîðìîçèò ñêîïëåíèå.  ðåçóëüòàòå íà ñêîïëåíèå ïðè åãî äâèæåíèè â Ãàëàêòèêå ïîìèìî ðåãóëÿðíîé ñèëû (ïðèòÿæåíèÿ ñî ñòîðîíû Ãàëàêòèêè) äåéñòâóåò ñèëà äèíàìè÷åñêîãî òðåíèÿ, çàâèñÿùàÿ îò ñêîðîñòè. Ê ÷åìó ïðèâîäèò äèíàìè÷åñêîå òðåíèå? Åñëè îðáèòà ñêîïëåíèÿ áûëà ìàëî âûòÿíóòîé, òî â êîíöå êîíöîâ îíà ñòàíåò êðóãîâîé. Åñëè æå îðáèòà ÿâëÿåòñÿ âûòÿíóòîé (êàê äëÿ øàðîâûõ ñêîïëåíèé íàøåé Ãàëàêòèêè), òî ñêîïëåíèå áóäåò ïàäàòü ê öåíòðó Ãàëàêòèêè, ïîïîëíÿÿ íàñåëåíèå åå ÿäðà (Ñóðäèí, ×àðèêîâ, 1977). Ðèñ. 3.25. Äèíàìè÷åñêîå òðåíèå. Ìàññèâíûé îáúåêò, äâèãàÿñü ñêâîçü ïîëå ëåãêèõ îáúåêòîâ, ñîçäàåò çà ñîáîé èõ óïëîòíåíèå, ê êîòîðîìó ñàì è ïðèòÿãèâàåòñÿ.
86
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
Äèíàìè÷åñêîå òðåíèå èñïûòûâàåò è çâåçäà ïðè ïðîõîæäåíèè ÷åðåç ïûëåâîå îáëàêî. Ïðè ýòîì ñóùåñòâåííî, ÷òî ÷àñòèöû ïûëè â øëåéôå áóäóò íåóïðóãî ñîóäàðÿòüñÿ è òåðÿòü ýíåðãèþ. Çâåçäà  ðåçóëüòàòå ýíåðãèÿ ïûëèíêè îòíîñèòåëüíî çâåçäû ìîæåò ñòàòü îòðèöàòåëüíîé, è îíà îêàæåòñÿ ãðàâèòàöèîííî ñâÿçàííîé ñ çâåçäîé. Òàêèì îáðàçîì, ôîðìàëüíî â Ðèñ. 3.26. Çâåçäû, ñáëèæàþùèåñÿ ñ ïûëå- ðàìêàõ çàäà÷è äâóõ òåë ìîæåò âûìè îáëàêàìè, ðàçãîíÿþò ïûëèíêè. ïðîèçîéòè çàõâàò ìàññèâíûì òåëîì ïûëåâîé ÷àñòèöû. Íà ýòó âîçìîæíîñòü óêàçàë Ò. À. Àãåêÿí â 1949 ã. Çâåçäû æå âûñîêîé ñâåòèìîñòè, ðàçãîíÿþùèå ãàçîâî-ïûëåâûå îáëàêà, íàïðîòèâ, óñêîðÿþòñÿ (Ò. À. Àãåêÿí, 1950). Ïðè÷èíà ýòîãî ëåæèò â ñâåòîâîì äàâëåíèè ñî ñòîðîíû çâåçäû. Ïðèáëèæàÿñü ê îáëàêó, çâåçäà ãîíèò ïåðåä ñîáîé ÷àñòèöû. Ïîçàäè çâåçäû ÷àñòèö íåò, èëè èõ ìàëî, à âïåðåäè ìíîãî, è îíè ïðèòÿãèâàþò çâåçäó (ðèñ. 3.26). Âû÷èñëåíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî çâåçäà ñïåêòðàëüíîãî êëàññà O ñî ñêîðîñòüþ 5 êì/ñ óäâîèò ñâîþ ñêîðîñòü çà 107 ëåò. Íà ïåðâûé âçãëÿä ýòîò ðåçóëüòàò ìîæåò ïîêàçàòüñÿ ïàðàäîêñàëüíûì. Óæ î÷åíü ýòî íàïîìèíàåò ÷åëîâåêà, êîòîðûé ñàì ñåáÿ ïîäíèìàåò çà âîëîñû. Îäíàêî ïîäñ÷åò áàëàíñà ýíåðãèè è êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ ñèñòåìû çâåçäà—îáëàêî êàê öåëîãî ïîäòâåðæäàåò ñäåëàííûé âûâîä.
3.12. Èñïàðåíèå çâåçä èç ñêîïëåíèé  ðàññåÿííûõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèÿõ ÷èñëî çâåçä, êàê ïðàâèëî, ñðàâíèòåëüíî íåâåëèêî, íå áîëåå 103. Âðåìÿ ðåëàêñàöèè äëÿ íèõ îêàçûâàåòñÿ ïîðÿäêà 106–107 ëåò è áëèçêî ê âðåìåíè ïåðåñå÷åíèÿ. Ïîýòîìó èððåãóëÿðíûå ñèëû èãðàþò ñóùåñòâåííóþ ðîëü â äèíàìèêå òàêèõ ñèñòåì. Íàïðîòèâ, ðîëü âíóòðåííèõ ðåãóëÿðíûõ ñèë äëÿ ðàññåÿííûõ ñêîïëåíèé óìåíüøàåòñÿ. Ïî-âèäèìîìó, ê ðàññåÿííûì çâåçäíûì ñêîïëåíèÿì ìîæíî ïðèìåíèòü òåîðèþ ðåëàêñàöèè Äæèíñà—×àíäðàñåêàðà, ÷òî ïîäòâåðæäàþò è ñïåöèàëüíûå êîìïüþòåðíûå èññëåäîâàíèÿ. Äëÿ ðàññåÿííûõ ñêîïëåíèé ñòàíîâèòñÿ çàìåòíûì åùå îäíî ïðîÿâëåíèå èððåãóëÿðíûõ ñèë, à èìåííî äèññèïàöèÿ, èëè «èñïàðåíèå» çâåçä èç ñêîïëåíèé. Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî èððåãóëÿðíûå ñèëû íå òîëüêî ïîäâîäÿò ñèñòåìó ê ðàâíîâåñíîìó ñîñòîÿíèþ, íî ñàìè æå ýòî ðàâíî-
3.12. Èñïàðåíèå çâåçä èç ñêîïëåíèé
87
âåñèå ðàçðóøàþò. Âåñüìà âåðîÿòíî, ÷òî ïðîöåññ èñïàðåíèÿ çâåçä ïðèâåë ê ïîëíîìó ðàçðóøåíèþ çíà÷èòåëüíîé ÷àñòè ðàññåÿííûõ ñêîïëåíèé è äàæå çàìåòíî ñíèçèë ïîïóëÿöèþ çíà÷èòåëüíî áîëåå ìàññèâíûõ øàðîâûõ ñêîïëåíèé Ãàëàêòèêè. Ïðèìåðû èñïàðåíèÿ â ìèðå ìîëåêóë õîðîøî èçâåñòíû: âîäà èç ðåê, îçåð, ìîðåé è îêåàíîâ èñïàðÿåòñÿ, íî ïî ÷åëîâå÷åñêèì ìåðêàì ïðîöåññ ýòîò ïðîèñõîäèò êðàéíå ìåäëåííî. Âîäà, ïîäîãðåâàåìàÿ â ÷àéíèêå, èñïàðÿåòñÿ ìíîãî áûñòðåå. Äëÿ àñòðîíîìèè âàæíà äèññèïàöèÿ àòìîñôåð çâåçä è ïëàíåò. Ê ñ÷àñòüþ äëÿ íàñ, Çåìëå ïîòåðÿ àòìîñôåðû â îáîçðèìîì áóäóùåì íå ãðîçèò, à âîò ó Ëóíû àòìîñôåðû äàâíî óæå íåò. Èçáåæàòü èñïàðåíèÿ ìîæíî ëèøü â òîì ñëó÷àå, åñëè ñèñòåìà õàîòè÷åñêè äâèæóùèõñÿ ÷àñòèö îêðóæåíà íåïðîíèöàåìûìè ñòåíêàìè. Êñòàòè, â íåêîòîðûõ òåîðåòè÷åñêèõ ðàáîòàõ ïî çâåçäíîé äèíàìèêå òàêèå ìîäåëè èññëåäóþòñÿ. Íî ðåàëüíûå çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ íå çàêëþ÷åíû â êîíòåéíåðû ñ îòðàæàþùèìè ñòåíêàìè. Ïîýòîìó òå çâåçäû, êîòîðûå â ðåçóëüòàòå ñáëèæåíèé ñ äðóãèìè çâåçäàìè ïðèîáðåòàþò ñêîðîñòè, áóëüøèå, ÷åì ñêîðîñòü îòðûâà îò ñèñòåìû, óëåòàþò èç íåå. Ñêîïëåíèå òåðÿåò ìàññó è â êîíöå êîíöîâ ðàçðóøàåòñÿ. Êàê áûñòðî ïðîèñõîäèò ýòîò ïðîöåññ? Äëÿ îòâåòà íàäî îöåíèòü äîëþ çâåçä, äèññèïèðóþùèõ èç ñêîïëåíèÿ çà âðåìÿ ðåëàêñàöèè. Ïåðâûì òàêóþ îöåíêó ñäåëàë â 1938 ã. 29-ëåòíèé ïðîôåññîð Ëåíèíãðàäñêîãî óíèâåðñèòåòà, áóäóùèé àêàäåìèê Â. À. Àìáàðöóìÿí. Íè÷åãî íå çíàÿ îá ýòîì, äâà ãîäà ñïóñòÿ òàêîé æå ðåçóëüòàò ïîëó÷èë 26-ëåòíèé Ë. Ñïèòöåð, áóäóùèé âûäàþùèéñÿ àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì è ôèçèê, ÷ëåí Íàöèîíàëüíîé ÀÍ ÑØÀ. Æåëàÿ îöåíèòü äîëþ çâåçä, ïîêèäàþùèõ ñêîïëåíèå çà âðåìÿ ðåëàêñàöèè, Àìáàðöóìÿí è Ñïèòöåð ðàññóæäàëè ñëåäóþùèì îáðàçîì.  êàæäîé òî÷êå ñêîïëåíèÿ ñóùåñòâóåò îïðåäåëåííîå çíà÷åíèå ñêîðîñòè îòðûâà vp = [–2P(r)]1/2. Çà âðåìÿ ðåëàêñàöèè â ñêîïëåíèè óñòàíàâëèâàåòñÿ ìàêñâåëëîâñêîå ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé, â òîì ÷èñëå íåêîòîðàÿ äîëÿ çâåçä ïîëó÷àåò ñêîðîñòè v > vp . Ýòî òàê íàçûâàåìûé «õâîñò» ìàêñâåëëîâñêîãî ðàñïðåäåëåíèÿ. Êàæäàÿ èç òàêèõ çâåçä ñðàçó æå, çà âðåìÿ ïåðåñå÷åíèÿ, óëåòàåò èç ñêîïëåíèÿ. Êàêîâà æå äîëÿ çâåçä, ñêîðîñòè êîòîðûõ ïîïàäàþò â «ìàêñâåëëîâñêèé õâîñò»? Èç òåîðåìû âèðèàëà ëåãêî íàéòè, ÷òî â ñðåäíåì ïî ñèñòåìå vp = 2s. Åñëè áû ñêîïëåíèå íàõîäèëîñü â íåïðîíèöàåìîì êîíòåéíåðå, â íåì óñòàíîâèëîñü áû èäåàëüíîå ìàêñâåëëîâñêîå ðàñïðåäåëåíèå, «õâîñò» çàïîëíèëñÿ áû çâåçäàìè ñ v > vp, è èõ äîëÿ îò ïîëíîãî ÷èñëà çâåçä ñîñòàâèëà áû a » 0,0074 (ýòî ÷èñëî ëåãêî íàéòè, ïðîèíòåãðèðîâàâ ðàñïðåäåëåíèå Ìàêñâåëëà îò 2s äî ¥). Îòêðûâ êîíòåéíåð, ìû ñðàçó ïîòåðÿåì ýòè çâåçäû. Íî ïîñëå òîãî êàê îíè óëåòåëè,
88
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
ðàâíîâåñèå ñèñòåìû îêàæåòñÿ íàðóøåííûì.  ñêîïëåíèè ñíîâà áóäåò óñòàíàâëèâàòüñÿ ìàêñâåëëîâñêîå ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé, ïîýòîìó ÷åðåç âðåìÿ ðåëàêñàöèè åãî «õâîñò» âíîâü çàïîëíèòñÿ, è ò. ä. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî ñàìîðàçðóøåíèå ñêîïëåíèÿ âñëåäñòâèå èñïàðåíèÿ îïèñûâàåòñÿ óðàâíåíèåì DN Dt = -a , N tr ãäå DN — ÷èñëî çâåçä, óëåòàþùèõ (àñòðîíîìû ãîâîðÿò — äèññèïèðóþùèõ) çà âðåìÿ Dt. Ìîæíî îæèäàòü, ÷òî âðåìÿ ïîëíîãî ðàçðóøåíèÿ ñêîïëåíèÿ áóäåò ïîðÿäêà tr/a » 135tr .  1950 ã. çíà÷èòåëüíûé âêëàä â òåîðèþ äèññèïàöèè çâåçäíûõ ñèñòåì ñäåëàëè Ë. Ý. Ãóðåâè÷ è Á. Þ. Ëåâèí. Ïîïûòàåìñÿ âîñïðîèçâåñòè âåðîÿòíûé õîä èõ ðàññóæäåíèé. Êàæäàÿ çâåçäà ïîñòîÿííî èñïûòûâàåò ìíîæåñòâî ñëàáûõ âîçäåéñòâèé ñî ñòîðîíû äðóãèõ çâåçä ñèñòåìû. Èçìåíåíèå ýíåðãèè êàæäîé çâåçäû ñî âðåìåíåì ìîæíî ñ÷èòàòü íåïðåðûâíûì. Êîãäà ýíåðãèÿ ñòàíîâèòñÿ íóëåâîé, ñêîðîñòü çâåçäû îêàçûâàåòñÿ ðàâíîé ñêîðîñòè îòðûâà îò ñèñòåìû, è çâåçäà óëåòàåò. Òàêèì îáðàçîì, ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè èç ñèñòåìû äèññèïèðóþò òîëüêî çâåçäû ñ íóëåâîé ýíåðãèåé.  ýòîì ñëó÷àå ïðè äèññèïàöèè ýíåðãèÿ ñêîïëåíèÿ îñòàåòñÿ íåèçìåííîé.  òî æå âðåìÿ, ïîñêîëüêó äèññèïàöèÿ — ïðîöåññ ìåäëåííûé, äëÿ ñêîïëåíèÿ ñïðàâåäëèâà òåîðåìà âèðèàëà. Òîãäà, êàê ìû âèäåëè, ñîõðàíÿþòñÿ ïî îòäåëüíîñòè êàê êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ, òàê è ïîòåíöèàëüíàÿ. Èç ñîõðàíåíèÿ êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè âûòåêàåò, ÷òî ïðè ïîòåðå ìàññû óâåëè÷èâàåòñÿ äèñïåðñèÿ ñêîðîñòåé, ò. å. ïðè äèññèïàöèè îñòàòîê ñêîïëåíèÿ «ðàçîãðåâàåòñÿ», çâåçäû äâèæóòñÿ âñå áûñòðåå. Èç ñîõðàíåíèÿ ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè ñëåäóåò, ÷òî ðàçìåð ñêîïëåíèÿ óìåíüøàåòñÿ, à ïëîòíîñòü óâåëè÷èâàåòñÿ. Íåòðóäíî ïîäñ÷èòàòü, ÷òî âðåìÿ ðåëàêñàöèè ïðè ýòîì óìåíüøàåòñÿ. Âíà÷àëå ìåäëåííîå, èñïàðåíèå çâåçä èç ñêîïëåíèÿ ñòàíîâèòñÿ âñå áîëåå áûñòðûì, «ëàâèííûì». Ãóðåâè÷ è Ëåâèí íàøëè ÿâíûå âûðàæåíèÿ äëÿ çàâèñèìîñòè ÷èñëà çâåçä â ñêîïëåíèè è äðóãèõ åãî õàðàêòåðèñòèê îò âðåìåíè. Îêàçàëîñü, ÷òî ôîðìàëüíîå âðåìÿ ïîëíîãî ðàñïàäà ñèñòåìû ðàâíî (2/7)(tr/a) » 39 tr .  äàëüíåéøåì òåîðèþ èñïàðåíèÿ çâåçäíûõ ñèñòåì ðàçâèâàëè ìíîãèå àâòîðû.  1960-å ãã. Ì. Ýíîí ïîëó÷èë ðåçóëüòàò, êîòîðûé ïîêàçàëñÿ ïàðàäîêñàëüíûì. Åñëè ïðèíÿòü âî âíèìàíèå íàëè÷èå ðåãóëÿðíûõ ñèë, òî óâåëè÷åíèå â ñðåäíåì ýíåðãèè çâåçäû îçíà÷àåò, ÷òî çâåçäà ïåðåõîäèò íà îðáèòó, ëåæàùóþ â áîëåå ïåðèôåðèéíûõ ÷àñòÿõ ñêîïëåíèÿ. Íî òàì ïëîòíîñòü çâåçä ìåíüøå, ñëåäîâàòåëüíî, âðåìÿ ðåëàêñàöèè áîëüøå, çâåçäíûå ñáëèæåíèÿ ïðîèñõîäÿò ðåæå, è äèññèïàöèÿ
3.13. Îñîáåííîñòè «çâåçäíîãî ãàçà»
89
ïî÷òè ïðåêðàùàåòñÿ. Ìîæíî óâèäåòü â ýòîì «ïàðàäîêñå Ýíîíà» ïðîÿâëåíèå îáùåãî ïðèíöèïà Ëå Øàòåëüå, ñîãëàñíî êîòîðîìó ðåàêöèÿ ñèñòåìû íà âîçäåéñòâèå, êîòîðîå âûâåëî åå èç ñîñòîÿíèÿ ðàâíîâåñèÿ, ñâîäèòñÿ ê òîìó, ÷òîáû íåéòðàëèçîâàòü ýòî âîçäåéñòâèå. Ñîãëàñíî Ò. À. Àãåêÿíó, ýòîò ïàðàäîêñ ïîêàçûâàåò, ÷òî íàèáîëüøåå çíà÷åíèå äëÿ èñïàðåíèÿ çâåçäíûõ ñèñòåì èìåþò î÷åíü ðåäêèå òåñíûå ñáëèæåíèÿ çâåçä. Ïðè ýòîì ýíåðãèÿ çâåçäû ìîæåò ñðàçó óâåëè÷èòüñÿ íà áîëüøóþ âåëè÷èíó è ñòàòü ïîëîæèòåëüíîé. Òàêàÿ çâåçäà ñðàçó ïîêèíåò ñêîïëåíèå. Àãåêÿí è åãî ó÷åíèöà È. Â. Ïåòðîâñêàÿ, à òàêæå ðÿä äðóãèõ èññëåäîâàòåëåé ðàçðàáàòûâàëè ñîîòâåòñòâóþùóþ òåîðèþ, íî âñëåäñòâèå áîëüøèõ ìàòåìàòè÷åñêèõ òðóäíîñòåé åå åùå íåëüçÿ ñ÷èòàòü çàâåðøåííîé. Ò. À. Àãåêÿí â 1962 ã. îáðàòèë âíèìàíèå íà òî, ÷òî èñïàðåíèå èç ñôåðè÷åñêèõ ñêîïëåíèé ìîæåò ïðîèñõîäèòü çíà÷èòåëüíî áûñòðåå, ÷åì ïî êëàññè÷åñêèì îöåíêàì. Âåñüìà âåðîÿòíî, ÷òî íà ðàííèõ ñòàäèÿõ ýâîëþöèè ñôåðè÷åñêèõ çâåçäíûõ ñèñòåì îðáèòû çâåçä áûëè ðàäèàëüíî âûòÿíóòûìè. Áîëüøèíñòâî çâåçä ïðîëåòàëî òîãäà ÷åðåç ïëîòíûé öåíòð, ãäå âðåìÿ ðåëàêñàöèè ñóùåñòâåííî ìåíüøå, ÷åì â îñòàëüíûõ ÷àñòÿõ ñèñòåìû. Çâåçäû ïðîëåòàþò îäíà âîçëå äðóãîé, âçàèìîäåéñòâóþò è ïðèîáðåòàþò ñêîðîñòü, ïðåâûøàþùóþ ñêîðîñòü îòðûâà.  ðåçóëüòàòå ñôåðè÷åñêàÿ ñèñòåìà ñ ïðåîáëàäàíèåì ñèëüíî ðàäèàëüíî âûòÿíóòûõ îðáèò òåðÿåò áóëüøóþ ÷àñòü ñâîèõ çâåçä. Ê ÷åìó ïðèâåäóò èñïàðåíèå çâåçäíûõ ñêîïëåíèé è äðóãèå ìåõàíèçìû èõ ðàçðóøåíèÿ, íà êîòîðûõ ìû íå áóäåì îñòàíàâëèâàòüñÿ? Íåêîòîðîå âðåìÿ âäîëü îðáèòû ñêîïëåíèÿ áóäåò äâèãàòüñÿ ðîé çâåçä, íå âûäåëÿþùèõñÿ ïî ïëîòíîñòè, íî îáëàäàþùèõ áëèçêèìè ñêîðîñòÿìè. Çàòåì ýòè çâåçäû ðàçîéäóòñÿ ïî Ãàëàêòèêå.  íàøåé Ãàëàêòèêå â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà ñâûøå ñòà ëåò èçâåñòíû òàê íàçûâàåìûå äâèæóùèåñÿ ñêîïëåíèÿ (ñì. ãëàâó 5).  êà÷åñòâå ïðèìåðà óêàæåì íà ïîòîê Áîëüøîé Ìåäâåäèöû. Íåêîòîðûå àâòîðû, îò Ñ. Ðîññåëàíäà äî Ò. À. Àãåêÿíà, ïðåäïîëàãàëè, ÷òî ýòî — îñòàòêè ðàñïàâøèõñÿ ñêîïëåíèé. Âî âñÿêîì ñëó÷àå, òàêóþ âîçìîæíîñòü íåëüçÿ èñêëþ÷èòü, ïî êðàéíåé ìåðå â îòíîøåíèè íåêîòîðûõ èç íèõ. Ïîäîáíûå ãðóïïû çâåçä áûëè âûÿâëåíû è â ãàëî Ãàëàêòèêè.
3.13. Îñîáåííîñòè «çâåçäíîãî ãàçà» Âûøå íåîäíîêðàòíî óêàçûâàëîñü íà àíàëîãèþ ìåæäó çâåçäíîé ñèñòåìîé, êîòîðàÿ ðàññìàòðèâàëàñü êàê ñîâîêóïíîñòü áîëüøîãî ÷èñëà ãðàâèòèðóþùèõ òî÷å÷íûõ ìàññ, è ãàçîì, àíñàìáëåì ìîëåêóë èëè àòîìîâ. Ïîíÿòèå «çâåçäíûé ãàç» ââåë â 1904 ã. ëîðä Êåëüâèí, âåëèêèé êëàññèê
90
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
XIX â., à äàëåå åãî ðàçâèë À. Ïóàíêàðå â çàìå÷àòåëüíîé ñòàòüå «Ìëå÷íûé Ïóòü è òåîðèÿ ãàçîâ» (1906). Äèíàìèêà çâåçäíûõ ñèñòåì äî ñèõ ïîð ñòðîèòñÿ íà îñíîâå ýòîé êîíöåïöèè. Êàê è â òåîðèè ãàçîâ, îñíîâíîé â çâåçäíîé äèíàìèêå ÿâëÿåòñÿ ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ çâåçä ïî êîîðäèíàòàì è ñêîðîñòÿì F(r, v), äëÿ íàõîæäåíèÿ êîòîðîé äîñòàòî÷íî çíàòü ôóíêöèþ çâåçäíîé ïëîòíîñòè r(r) è ôóíêöèþ ðàñïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòåé â äàííîé òî÷êå fr (v). Î÷åâèäíî, ÷òî F(r, v) = r(r) fr (v). Ñóùåñòâóåò, îäíàêî, çíà÷èòåëüíîå ðàçëè÷èå ìåæäó «çâåçäíûì ãàçîì» è îáû÷íûì ãàçîì. Ïðè îáñóæäåíèè ïðèíöèïèàëüíûõ îñîáåííîñòåé ãàëàêòèê êàê «çâåçäíîãî ãàçà» áóäåì äëÿ ïðîñòîòû íå ïðèíèìàòü âî âíèìàíèå ïûëü, îáû÷íûé ãàç è äàæå «òåìíîå âåùåñòâî». Ïðåæäå âñåãî áðîñàåòñÿ â ãëàçà ñèëüíàÿ ðàçðåæåííîñòü «ãàçà» èç çâåçä. Òàê, â îêðóæàþùåì íàñ âîçäóõå ìîëåêóëû àçîòà èìåþò ðàäèóñ 3,3 · 10–8 ñì, à ñðåäíåå ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè — îêîëî 3,3 · 10–7 ñì. Êàê âèäèì, îíî â ñðåäíåì ëèøü â 10 ðàç áîëüøå ðàäèóñà ñàìèõ ìîëåêóë. Òåïåðü îáðàòèìñÿ ê çâåçäàì. Ðàäèóñ Ñîëíöà 6,96 · 1010 ñì, à ðàññòîÿíèå îò Ñîëíöà äî áëèæàéøåé ê íåìó çâåçäû Ïðîêñèìà Êåíòàâðà 4,07 · 1018 ñì, ò. å. â 6 · 107 ðàç áîëüøå ðàäèóñà Ñîëíöà. Ìû âèäèì, ÷òî îòíîøåíèå, õàðàêòåðèçóþùåå ñòåïåíü äèñêðåòíîñòè, â Ãàëàêòèêå â 6 · 106 ðàç áîëüøå, ÷åì â âîçäóõå. Ïëîòíîñòü ãàçà îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíà êóáó ñðåäíåãî ðàññòîÿíèÿ ìåæäó ñîñåäíèìè àòîìàìè. Ïîýòîìó ïîëó÷àåì, ÷òî Ãàëàêòèêà ìåíåå ïëîòíà, ÷åì âîçäóõ, â (6 · 107/10)3 » » 2,2 · 1020 ðàç! Íî åùå áîëåå ñóùåñòâåííî äëÿ äèíàìèêè «çâåçäíîãî ãàçà» òî, ÷òî îí ÿâëÿåòñÿ ñàìîãðàâèòèðóþùèì. Èç ýòîãî âûòåêàåò ðÿä ïðèíöèïèàëüíûõ îòëè÷èé «çâåçäíîãî ãàçà» îò îáû÷íîãî ãàçà. Ìû óæå ðàññìàòðèâàëè èñïàðåíèå çâåçä èç ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåì è îñîáåííîñòè, êîòîðûìè îíî ñîïðîâîæäàåòñÿ (óâåëè÷åíèå ïëîòíîñòè è äèñïåðñèè ñêîðîñòåé îñòàòêà ñêîïëåíèÿ). Ýòîãî ÿâëåíèÿ óæå äîñòàòî÷íî äëÿ íåäîñòèæèìîñòè â ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåìàõ òî÷íîãî ñòàòèñòè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ. Óïîìèíàâøèåñÿ âûøå çàêîíû Ãóðåâè÷à—Ëåâèíà—Õåããè âûðàæàþò äðóãóþ îñîáåííîñòü êèíåòèêè ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåì: «ïðî÷íûå» äâîéíûå â çâåçäíîì ïîëå ñòàíîâÿòñÿ åùå áîëåå «ïðî÷íûìè». Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî õîòÿ ïðè âçàèìîäåéñòâèè òðåòüåé çâåçäû ñ ïàðîé ñóììàðíàÿ ýíåðãèÿ òðåõ òåë ñîõðàíÿåòñÿ, ÷àñòü åå ïåðåõîäèò â êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ çâåçä ïîëÿ è ýíåðãèþ îðáèòàëüíîãî äâèæåíèÿ ïàðû (èñòî÷íèêîì äîïîëíèòåëüíîé êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè çâåçä ñëóæèò ãðàâèòàöèîííàÿ ýíåðãèÿ ïàðû). Ïîýòîìó ñáëèæåíèå çâåçäû ñ «ïðî÷-
3.13. Îñîáåííîñòè «çâåçäíîãî ãàçà»
91
íîé» ïàðîé ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê íåóïðóãîå ñòîëêíîâåíèå, â îòëè÷èå îò ïàðíûõ ñáëèæåíèé.  ðåçóëüòàòå òàêèõ âçàèìîäåéñòâèé ýâîëþöèÿ «çâåçäíîãî ãàçà» óñêîðÿåòñÿ. Êàê áûëî ñêàçàíî âûøå, èððåãóëÿðíûå ñèëû âåäóò ê óñòàíîâëåíèþ ìàêñâåëëîâñêîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòåé, êîòîðîå íàðóøàåòñÿ òîëüêî äèññèïàöèåé — ïðîöåññîì, îáû÷íî íà ïîðÿäîê áîëåå ìåäëåííûì, ÷åì ðåëàêñàöèÿ. Ñîìíåíèé â ýòîì íå áûëî äî 1962 ã., êîãäà â «Âåñòíèêå Ëåíèíãðàäñêîãî óíèâåðñèòåòà» ïîÿâèëàñü ñòàòüÿ Âàäèìà Àíàòîëüåâè÷à Àíòîíîâà, â òî âðåìÿ àñïèðàíòà Ê. Ô. Îãîðîäíèêîâà. Ðàáîòà ýòà áûëà íåóäà÷íîé ïî ôîðìå, îíà ñîäåðæàëà ìíîãî ñëîæíûõ ôîðìóë, è, âåðîÿòíî, áîëüøèíñòâî ÷èòàòåëåé íå ïîíÿëî, î ÷åì, ñîáñòâåííî, â íåé èäåò ðå÷ü. Ä. Ëèíäåí-Áåëë áûë îäíèì èç íåìíîãèõ, îöåíèâøèõ ýòó ñòàòüþ: îí ðàçúÿñíèë åå ñìûñë àñòðîíîìè÷åñêîé è ôèçè÷åñêîé îáùåñòâåííîñòè. Êàê âûÿñíèëîñü, Â. À. Àíòîíîâ äîêàçàë, ÷òî ìàêñâåëëîâñêîå ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé ÿâëÿåòñÿ íàèâåðîÿòíåéøèì (äëÿ ñôåðè÷åñêèõ ñèñòåì) òîëüêî â òîì ñëó÷àå, êîãäà îòíîøåíèå öåíòðàëüíîé ïëîòíîñòè ñèñòåìû ê ïëîòíîñòè íà ïåðèôåðèè íå ïðåâîñõîäèò êðèòè÷åñêîå çíà÷åíèå, ðàâíîå 708,61.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå áóäåò ïðîèñõîäèòü ïðîöåññ, êîòîðûé Ëèíäåí-Áåëë íàçâàë ãðàâèòåðìè÷åñêîé êàòàñòðîôîé: «ãîðÿ÷åå» ïëîòíîå ÿäðî áóäåò ñòàíîâèòñÿ âñå ïëîòíåå è «ãîðÿ÷åå», à íàðóæíûå ÷àñòè áóäóò «îõëàæäàòüñÿ». Òàêèì îáðàçîì, çàêîí âîçðàñòàíèÿ ýíòðîïèè ïðèâîäèò äëÿ ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåì ê íàðóøåíèþ âòîðîãî íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè (â ôîðìóëèðîâêå Êëàóçèóñà). Ïðè÷èíà ãðàâèòåðìè÷åñêîé êàòàñòðîôû ëåæèò â òîì, ÷òî òåïëîåìêîñòü ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåì ÿâëÿåòñÿ îòðèöàòåëüíîé (÷òî, êàê ìû âèäåëè, âûòåêàåò èç òåîðåìû âèðèàëà).  îáû÷íîì ãàçå, ñîñòîÿùåì èç ìîëåêóë ðàçíûõ ìàññ, â ðåçóëüòàòå ñòîëêíîâåíèé óñòàíàâëèâàåòñÿ ðàâíîðàñïðåäåëåíèå ïî ýíåðãèè.  ïðèíöèïå, òî æå ñàìîå ïðîèñõîäèò è â ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåìàõ: äåéñòâèå èððåãóëÿðíûõ ñèë ïðèâîäèò ê ðàâåíñòâó mi s2i = const, ãäå mi — ìàññà çâåçä i-é ãðóïïû, s2i — äèñïåðñèÿ èõ îñòàòî÷íûõ ñêîðîñòåé. Òîãäà áîëåå ìàññèâíûå çâåçäû «îñåäàþò» â öåíòðå ñèñòåìû, à ìåíåå ìàññèâíûå çâåçäû çàíèìàþò áîëüøèé îáúåì.  1969 ã. Ë. Ñïèòöåð ïîêàçàë, ÷òî ïðè ñëèøêîì áîëüøîì ðàçëè÷èè ìàññ çâåçä ðàâíîðàñïðåäåëåíèå ïî ýíåðãèè íå äîñòèãàåòñÿ. Ìàññèâíûå çâåçäû (ìàññû m2), âçàèìîäåéñòâóÿ ñ ëåãêèìè, îòäàþò èì ýíåðãèþ (â ñîîòâåòñòâèè ñ òåíäåíöèåé ê ðàâíîðàñïðåäåëåíèþ). Ñêîðîñòè çâåçä óìåíüøàþòñÿ, ïîýòîìó îíè äâèãàþòñÿ ìåäëåííåå è â ñðåäíåì ïåðåìåùàþòñÿ ê öåíòðó ñèñòåìû. Åñëè ìàññèâíûõ çâåçä áûëî ìíîãî, òî òàêîå èõ ïåðåìåùåíèå áóäåò îçíà÷àòü ñæàòèå ñèñòåìû. Òîãäà ñêîðîñòè çâåçä
92
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
óâåëè÷àòñÿ (èç òåîðåìû âèðèàëà ñëåäóåò, ÷òî óìåíüøåíèå ðàçìåðîâ ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ äèñïåðñèè ñêîðîñòåé). Çàòåì çâåçäû ìàññû m2 îïÿòü îòäàäóò ýíåðãèþ çâåçäàì ìàññû m1, ñíîâà áóäóò ñæèìàòüñÿ ê öåíòðó è åùå ñèëüíåå óâåëè÷àò ñâîþ ýíåðãèþ. Ïðîöåññ áóäåò ïðîäîëæàòüñÿ è äàëåå. Ðàñ÷åò ïîêàçûâàåò, ÷òî ýâîëþöèÿ çàâèñèò îò çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðà c=
M 2 æ m2 ö ç ÷ M 1 è m1 ø
3 /2
,
ãäå Mi — ñóììàðíàÿ ìàññà çâåçä ìàññû mi . Ðàâíîðàñïðåäåëåíèå ïî ýíåðãèè íå íàñòóïàåò, åñëè c > 0,16. Èç äðóãèõ îñîáåííîñòåé ñòàòèñòè÷åñêîé ìåõàíèêè ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåì íàçîâåì ãðàâèâðàùàòåëüíóþ êàòàñòðîôó. Îíà ïðîÿâëÿåòñÿ â òîì, ÷òî íà ïåðèôåðèè âðàùàþùèõñÿ ñèñòåì íå óñòàíàâëèâàåòñÿ òâåðäîòåëüíîå âðàùåíèå, à, íàïðîòèâ, äâèæåíèå ñòàíîâèòñÿ âñ¸ áîëåå äèôôåðåíöèàëüíûì. Àíðè Ïóàíêàðå â óïîìèíàâøåéñÿ ñòàòüå îòìåòèë ðÿä îòëè÷èé «çâåçäíîãî ãàçà» îò èäåàëüíîãî è óêàçàë, ÷òî áîëåå ïðàâèëüíûì áûëî áû ñîïîñòàâèòü çâåçäíûå ñèñòåìû ñ ãàçîì â òðóáêå Êðóêñà. Îí èìåë â âèäó èîíèçîâàííûé ãàç, ñîñòîÿùèé èç ýëåêòðîíîâ è èîíîâ, êîòîðûå âçàèìîäåéñòâóþò ïî çàêîíó Êóëîíà, ò. å. ðå÷ü øëà î ïëàçìå, íî â òî âðåìÿ ýòî ñëîâî ôèçèêè åùå íå èñïîëüçîâàëè. Äåéñòâèòåëüíî, ó äèíàìèêè çâåçäíûõ ñèñòåì è ó òåîðèè ïëàçìû, ñîçäàííîé àìåðèêàíöåì È. Ëåíãìþðîì è ñîâåòñêèìè ôèçèêàìè Ë. Ä. Ëàíäàó è À. À. Âëàñîâûì, èñõîäíûå ïîëîæåíèÿ ñîâïàäàþò. «Ñàìîñîãëàñîâàííîå ïîëå» â ïëàçìå — ýòî ðåãóëÿðíûå ñèëû â ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåìàõ. Êàê ïëàçìó, òàê è çâåçäíûå ñèñòåìû îáû÷íî ñ÷èòàþò áåññòîëêíîâèòåëüíûìè, à òåîðèÿ ñòîëêíîâèòåëüíîé ïëàçìû ñòðîèëàñü (â òîì ÷èñëå Ë. Ñïèòöåðîì) ïî îáðàçöó òåîðèè ðåëàêñàöèè Äæèíñà—×àíäðàñåêàðà. Îñíîâíûì â äèíàìèêå çâåçäíûõ ñèñòåì ÿâëÿåòñÿ óðàâíåíèå äëÿ ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ çâåçä ïî êîîðäèíàòàì è ñêîðîñòÿì F (r, v). Ýòî óðàâíåíèå âûðàæàåò ïîñòîÿíñòâî F âäîëü òðàåêòîðèè ïðè äâèæåíèè â ðåãóëÿðíîì ïîëå. Õîòÿ îíî âïåðâûå áûëî âûâåäåíî Äæ. Äæèíñîì â 1915 ã., ÷àùå âñåãî (ñ ëåãêîé ðóêè ñàìîãî Äæèíñà) åãî íàçûâàþò áåññòîëêíîâèòåëüíûì óðàâíåíèåì Áîëüöìàíà. Íî îíî ñîâïàäàåò ñ îñíîâíûì â òåîðèè ïëàçìû óðàâíåíèåì Âëàñîâà (1938). Âìåñòå ñ òåì ìåæäó ïëàçìîé è «çâåçäíûì ãàçîì» èìåþòñÿ ñóùåñòâåííûå ðàçëè÷èÿ. Åñëè â ïëàçìåííóþ ñðåäó âíåñòè, ñêàæåì, ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííûé èîí, òî âîêðóã íåãî ïîÿâèòñÿ îáëàêî èç ýëåêòðîíîâ. Ïîýòîìó ïðèòÿæåíèå ê èîíó óäàëåííîãî ýëåêòðîíà áóäåò
3.14. Ðàâíîâåñèå çâåçäíûõ ñèñòåì
93
êîìïåíñèðîâàòüñÿ îòòàëêèâàíèåì îò ýëåêòðîíîâ îáëàêà. Ýòî ÿâëåíèå â ïëàçìå íàçûâàåòñÿ äåáàåâñêèì ýêðàíèðîâàíèåì (ïî èìåíè èçâåñòíîãî ôèçèêà Ï. Äåáàÿ). Âñëåäñòâèå ýòîãî ïëàçìó ìîæíî íåîãðàíè÷åííî íàäñòðàèâàòü, ïî÷òè íå èçìåíÿÿ åå ëîêàëüíûõ ñâîéñòâ. Íàïðîòèâ, â ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåìàõ ïðè ïîÿâëåíèè âîçìóùåíèÿ áóäåò ðàçâèâàòüñÿ äæèíñîâñêàÿ ãðàâèòàöèîííàÿ íåóñòîé÷èâîñòü, êîòîðàÿ â êîíå÷íîì ñ÷åòå îòâåòñòâåííà çà ôîðìèðîâàíèå âíóòðåííåé ñòðóêòóðû â ãðàâèòèðóþùèõ ñðåäàõ, îáðàçîâàíèå ãàëàêòèê, çâåçä, ïëàíåò.
3.14. Ðàâíîâåñèå çâåçäíûõ ñèñòåì Îäíîé èç îñíîâíûõ çàäà÷ çâåçäíîé äèíàìèêè ÿâëÿåòñÿ ïîñòðîåíèå ñòàöèîíàðíûõ ìîäåëåé çâåçäíûõ ñèñòåì. Ïîä ñòàöèîíàðíîñòüþ, åñòåñòâåííî, ïîäðàçóìåâàåòñÿ ðàâíîâåñèå â ïîëå ðåãóëÿðíûõ ñèë, òàê êàê ïðè ó÷åòå èððåãóëÿðíûõ ñèë ðàâíîâåñèå, êàê ìû âèäåëè, â ïðèíöèïå íåâîçìîæíî. Äà è áåññòîëêíîâèòåëüíûå ñèñòåìû ìîæíî ñ÷èòàòü ðàâíîâåñíûìè òîëüêî ïðè ïðåíåáðåæåíèè âíåøíèìè ïîëÿìè (âîçäåéñòâèåì ñîñåäåé äàííîé ñèñòåìû è îáùåãî ãàëàêòè÷åñêîãî èëè ìåòàãàëàêòè÷åñêîãî ôîíà). Äëÿ ïîñòðîåíèÿ ðàâíîâåñíîé ìîäåëè íåîáõîäèìî íàéòè ôóíêöèþ ðàñïðåäåëåíèÿ çâåçä ïî êîîðäèíàòàì è ñêîðîñòÿì F(r, v) è ïëîòíîñòü r(r).  êàæäîé òî÷êå ñèñòåìû äîëæíà áûòü èçâåñòíà ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ òî÷êè åäèíè÷íîé ìàññû P(r). ×àùå âñåãî ñòàðàþòñÿ ñòðîèòü ñàìîñîãëàñîâàííûå ìîäåëè, â êîòîðûõ ôóíêöèÿ P(r) îïðåäåëÿåòñÿ õîäîì ïëîòíîñòè r(r) ïî ôîðìóëàì íüþòîíîâñêîé òåîðèè ãðàâèòàöèè.  ñîîòâåòñòâèè ñ áåññòîëêíîâèòåëüíûì óðàâíåíèåì Áîëüöìàíà ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ F(r, v) ïîñòîÿííà âäîëü òðàåêòîðèè. Íàïîìíèì, ÷òî òàêèå ôóíêöèè íàçûâàþòñÿ èíòåãðàëàìè äâèæåíèÿ, è îíè îïðåäåëÿþò ñâîéñòâà çâåçäíûõ îðáèò. Òàêèì îáðàçîì, F (r, v) ÿâëÿåòñÿ èíòåãðàëîì äâèæåíèÿ. Çíà÷èò, êîîðäèíàòû r è ñêîðîñòè v ìîãóò âõîäèòü â F íå ïðîèçâîëüíûì îáðàçîì, à ÷åðåç îïðåäåëåííûå êîìáèíàöèè — èíòåãðàëû äâèæåíèÿ, òàêèå, êàê èíòåãðàë ýíåðãèè è èíòåãðàë ìîìåíòà èìïóëüñà. Ýòî óòâåðæäåíèå èçâåñòíî êàê òåîðåìà Äæèíñà, è îíî ëåæèò â îñíîâå ïîñòðîåíèÿ ïðîñòðàíñòâåííî-êèíåìàòè÷åñêèõ ìîäåëåé çâåçäíûõ ñèñòåì. Èòàê, åñëè äëÿ äâèæåíèé â çàäàííîì ñèëîâîì ïîëå èçâåñòíû âñå èíòåãðàëû äâèæåíèÿ, òî ïðîáëåìà ïîñòðîåíèÿ ñòàöèîíàðíûõ ñàìîñîãëàñîâàííûõ ìîäåëåé áóäåò ÷èñòî òåõíè÷åñêîé.  1953 ã. Ã. Ã. Êóçìèí è â 1962 ã. Ä. Ëèíäåí-Áåëë ïîêàçàëè, ÷òî åñëè îðáèòû â äàííîì ïîëå, êàê ïðàâèëî, íåçàìêíóòû è ïëîòíî çàïîëíÿþò òðåõìåðíóþ îáëàñòü,
94
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
òî àðãóìåíòàìè ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ ìîæåò áûòü íå áîëåå òðåõ èíòåãðàëîâ. Ñèëüíî óïðîùàÿ, ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî ýòè èíòåãðàëû îïðåäåëÿþò àìïëèòóäû êîëåáàíèé çâåçä ïî òðåì êîîðäèíàòàì. Íî êàê áûòü â ñëó÷àå, êîãäà äëÿ ÷àñòè îðáèò ñóùåñòâóþò òðè èíòåãðàëà (àíàëèòè÷åñêè âûðàçèòü êîòîðûå, ïóñòü â ñëîæíîé ôîðìå, ìîæíî ëèøü ïðèáëèæåííî), à ÷àñòü îðáèò ÿâëÿþòñÿ õàîòè÷åñêèìè, ïðè÷åì îáëàñòè õàîòè÷åñêîãî è óïîðÿäî÷åííîãî äâèæåíèÿ ïåðåìåøàíû? ßñíîãî îòâåòà íà ýòîò âîïðîñ äî ñèõ ïîð íåò. Ñóùåñòâóþò äâà îñíîâíûõ ïîäõîäà ê ïîñòðîåíèþ ðàâíîâåñíûõ ìîäåëåé çâåçäíûõ ñèñòåì.  ïåðâîì èç íèõ èñõîäíîé ÿâëÿåòñÿ ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ êàê ôóíêöèÿ èíòåãðàëîâ äâèæåíèÿ F(r, v) = Y(I1, I2, I3). Èç íåå íàõîäèòñÿ ïëîòíîñòü r(r), à çàòåì — ïîëå ðåãóëÿðíûõ ñèë è P(r). Ñ ÷èñòî òåîðåòè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ ýòîò ñïîñîá ìîæåò ïîêàçàòüñÿ ïðåäïî÷òèòåëüíûì, îäíàêî ïðè ýòîì ïðèõîäèòñÿ ðåøàòü äîâîëüíî ñëîæíûå íåëèíåéíûå óðàâíåíèÿ. Ìîæíî áûëî áû, íàïðèìåð, íà÷èíàòü ñ øâàðöøèëüäîâñêîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòåé. Îêàçàëîñü, îäíàêî, ÷òî íå ñóùåñòâóåò ñòàöèîíàðíûõ ñàìîãðàâèòèðóþùèõ ìîäåëåé êîíå÷íîé ìàññû, â êàæäîé òî÷êå êîòîðûõ ñêîðîñòè ðàñïðåäåëåíû ïî çàêîíó Øâàðöøèëüäà.  ÷àñòíîñòè, ñôåðè÷åñêàÿ ìîäåëü ñ ìàêñâåëëîâñêèì ðàñïðåäåëåíèåì ñêîðîñòåé (èçîòåðìè÷åñêàÿ ìîäåëü, êîòîðàÿ óïîìèíàëàñü âûøå êàê íàèâåðîÿòíåéøàÿ) îáëàäàåò áåñêîíå÷íîé ìàññîé è áåñêîíå÷íîé ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèåé. Àéâàí Êèíã (ÑØÀ), à çàòåì è äðóãèå àâòîðû íåñêîëüêî «ïîäïðàâèëè» ìàêñâåëëîâñêîå ðàñïðåäåëåíèå, àïïðîêñèìèðóÿ ðåøåíèå óðàâíåíèé, îïèñûâàþùèõ ñòîëêíîâèòåëüíóþ ýâîëþöèþ ñôåðè÷åñêèõ çâåçäíûõ ñèñòåì. Ìîäåëè Êèíãà ÷àñòî èñïîëüçóþòñÿ ïðè èññëåäîâàíèè çâåçäíûõ ñêîïëåíèé. Âòîðîé ñïîñîá ñîñòîèò â ïîñòðîåíèè ñàìîñîãëàñîâàííûõ ìîäåëåé ïî çàäàííîìó çàêîíó ïðîñòðàíñòâåííîé ïëîòíîñòè. Íàèáîëåå ïðîñòûì ÿâëÿåòñÿ ñëó÷àé ñôåðè÷åñêèõ ñèñòåì. È çäåñü ìû ñòàëêèâàåìñÿ ñ ïðîáëåìîé âûáîðà. Äåëî â òîì, ÷òî ïðè çàäàííîì õîäå ïëîòíîñòè âîçìîæíû ðàçëè÷íûå ðàñïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòåé. Òàê, äëÿ ëþáîé ñôåðè÷åñêîé ñèñòåìû ìîæíî ïðåäñòàâèòü, ÷òî îðáèòû âñåõ çâåçä — êðóãîâûå. Î òàêîé ìîäåëè ïèñàëè â 1928 ã. ìîñêîâñêèé ìàòåìàòèê Â. Â. Ñòåïàíîâ, à ñïóñòÿ äåñÿòü ëåò — À. Ýéíøòåéí (â êîíòåêñòå îáùåé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè).  1916 ã. À. Ñ. Ýääèíãòîí íàøåë, êàê ñòðîèòü ñàìîñîãëàñîâàííûå ìîäåëè ñ èçîòðîïíûì ðàñïðåäåëåíèåì ñêîðîñòåé.  1979 ã. áûëè íàéäåíû áîëåå îáùèå ìîäåëè, â êîòîðûõ ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé â êàæäîé òî÷êå ÿâëÿåòñÿ ýëëèïñîèäàëüíûì, íî íå øâàðöøèëüäîâñêèì.
95
3.14. Ðàâíîâåñèå çâåçäíûõ ñèñòåì
Äëÿ òàêèõ ìîäåëåé F(r, v) = Y(E + lM2), ãäå E — ýíåðãèÿ çâåçäû, M = r ´ v — åå ïîëíûé ìîìåíò èìïóëüñà, à l — ïðîèçâîëüíûé ïàðàìåòð, îò çíà÷åíèÿ êîòîðîãî çàâèñèò àíèçîòðîïèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòåé. Ðàçëè÷íûå áîëåå ñëîæíûå ìîäåëè ïðåäëàãàëè Þ.-È. Ê. Âåëòìàíí (Òàðòó), Î. Ãåðõàðä (Ãåéäåëüáåðã) è äð. Åùå Â. Â. Ñòåïàíîâ è ìíîãî ïîçäíåå Ò. À. Àãåêÿí îáñóæäàëè ìîäåëè ñ ÷èñòî ðàäèàëüíûìè äâèæåíèÿìè. Êàêóþ æå èç íèõ âûáðàòü äëÿ êîíêðåòíûõ ðåàëüíûõ ñèñòåì? Ê ñîæàëåíèþ, ÷èñòî òåîðåòè÷åñêèå ñîîáðàæåíèÿ ïîìî÷ü â ýòîì îòíîøåíèè íå ìîãóò. Òàê, ìîäåëè ñ êðóãîâûìè îðáèòàìè ïðåäñòàâëÿþòñÿ ìàëîâåðîÿòíûìè, íî ÷åòêî è âðàçóìèòåëüíî îáúÿñíèòü, ïî÷åìó, ìû íå ìîæåì è âûíóæäåíû ññûëàòüñÿ íà íåÿñíûå êîñìîãîíè÷åñêèå ñîîáðàæåíèÿ. Òîëüêî êîãäà ó ìíîãèõ çâåçä â øàðîâûõ ñêîïëåíèÿõ áóäóò èçâåñòíû ñîáñòâåííûå äâèæåíèÿ è äëÿ áîëüøîãî ÷èñëà îáúåêòîâ â øàðîâûõ ñêîïëåíèÿõ è ñôåðè÷åñêèõ ñêîïëåíèÿõ ãàëàêòèê áóäóò èçâåñòíû ëó÷åâûå ñêîðîñòè, äëÿ ïîñòðîåíèÿ ìîäåëåé ýòèõ ñèñòåì ìîæíî áóäåò ïðèâëå÷ü êèíåìàòè÷åñêèå äàííûå, è òîãäà ïðîáëåìà âûáîðà áóäåò ðåøåíà. Îáðàòèìñÿ òåïåðü ê ðàâíîâåñíûì ìîäåëÿì ñïëþñíóòûõ ãàëàêòèê. Áîëåå èëè ìåíåå ðàçðàáîòàííûå ìåòîäû ñóùåñòâóþò òîëüêî äëÿ ìîäåëåé ñ îñüþ ñèììåòðèè (îñüþ âðàùåíèÿ) ïðè òîì ïðåäïîëîæåíèè, ÷òî ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ çàâèñèò òîëüêî îò èíòåãðàëà ýíåðãèè E = 12 (vR2 + vq2 + vz2 ) + P( R , z ) è îò ïðîåêöèè ìîìåíòà èìïóëüñà íà îñü âðàùåíèÿ h = Rvq, ò. å. F(r, v) = Y(E, h).
Óæå èç ýòîé ôîðìû Y âèäíî, ÷òî òàêèå ìîäåëè íå ìîãóò îáúÿñíèòü íàáëþäàåìóþ â Ãàëàêòèêå òðåõîñíîñòü ýëëèïñîèäà ñêîðîñòåé. Äåéñòâèòåëüíî, â Y ñêîðîñòè vR è vz âõîäÿò ðàâíîïðàâíî, ÷åðåç êoìáèíàöèþ v2R + v2z . Ïîýòîìó äèñïåðñèè ñêîðîñòåé vR è vz îäèíàêîâû, sR2 = s2z . Ïåðâûå ìîäåëè çâåçäíûõ ñèñòåì òàêîãî òèïà ñòðîèëè Â. Ôðèêêå (1949) è Ã. Ã. Êóçìèí è Ñ. À. Êóòóçîâ (1962). Ââåäåì ÷åòíóþ è íå÷åòíóþ ïî ñêîðîñòÿì ÷àñòè ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ, F(r, v) = F+(r, v) + F–(r, v), ãäå 1 1 F+(r, v) = [F(r, v) + F(r, –v)], F–(r, v) = [F(r, v) – F(r, –v)]. 2 2 Íå÷åòíàÿ ïî ñêîðîñòÿì ôóíêöèÿ F–(r, v) â ïðèíöèïå íå ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà ïî ðàñïðåäåëåíèþ ìàññ. Äåéñòâèòåëüíî, ýòà ôóíê-
96
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
öèÿ îïðåäåëÿåò ðàñïðåäåëåíèå â ñèñòåìå ìîìåíòà èìïóëüñà, ò. å. òî, íàñêîëüêî áûñòðî âðàùàåòñÿ ìîäåëü, êàêèå ÷àñòè âðàùàþòñÿ áûñòðåå, à êàêèå ìåäëåííåå.  êà÷åñòâå ïðîñòåéøåãî ïðèìåðà ðàññìîòðèì ïðåäåëüíûé ñëó÷àé áåñêîíå÷íî òîíêîãî äèñêà. Ïóñòü âñå çâåçäû äâèæóòñÿ â äèñêå ïî êðóãîâûì îðáèòàì â îäíó ñòîðîíó. Òîãäà ó ñèñòåìû áóäåò ìàêñèìàëüíî âîçìîæíûé ìîìåíò èìïóëüñà. Òåïåðü îáðàòèì íàïðàâëåíèå äâèæåíèÿ ó ïîëîâèíû çâåçä. Òîãäà ìîìåíò èìïóëüñà ñòàíåò íóëåâûì. Î÷åâèäíî, ÷òî âîçìîæíû è ïðîìåæóòî÷íûå ñëó÷àè. Ïîäîáíûå ðàññóæäåíèÿ ñïðàâåäëèâû è äëÿ ñèñòåì êîíå÷íîé òîëùèíû. Àíàëîãè÷íûì îáðàçîì ëåãêî ñäåëàòü âðàùàþùåéñÿ îáñóæäàâøóþñÿ âûøå ìîäåëü øàðà ñ êðóãîâûìè îðáèòàìè. Èíòóèòèâíî êàæåòñÿ, ÷òî äèñêîîáðàçíûå ñèñòåìû äîëæíû âðàùàòüñÿ áûñòðåå âñåãî, à ñôåðè÷åñêèå ñèñòåìû íå äîëæíû âðàùàòüñÿ.  òåîðèè êëàññè÷åñêèõ ôèãóð ðàâíîâåñèÿ îäíîðîäíûõ òâåðäîòåëüíî âðàùàþùèõñÿ æèäêèõ ìàññ ýòî ïðåäñòàâëåíèå íåñêîëüêî óòî÷íÿåòñÿ.  òåîðèè ââîäèòñÿ áåçðàçìåðíûé ïàðàìåòð W=
w2 , 2 pGr
ãäå w — óãëîâàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ, r — ïëîòíîñòü. Äëÿ ðàâíîâåñíûõ ýëëèïñîèäîâ âðàùåíèÿ, íàçûâàåìûõ ýëëèïñîèäàìè Ìàêëîðåíà, ýòîò ïàðàìåòð ÿâëÿåòñÿ îäíîçíà÷íîé ôóíêöèåé ñïëþñíóòîñòè. Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî äëÿ ñôåðè÷åñêèõ ñèñòåì W = 0, â ïðåäåëå äèñêà îïÿòü W = 0, à íàèáîëüøåå çíà÷åíèå W, ðàâíîå ïðèáëèçèòåëüíî 0,2247, ñîîòâåòñòâóåò îòíîøåíèþ îñåé ýëëèïñîèäà, ðàâíîìó 0,368. Äëÿ áåññòîëêíîâèòåëüíûõ çâåçäíûõ ñèñòåì, êàê ïîêàçûâàþò ïðèâåäåííûå âûøå ðàññóæäåíèÿ, êîððåëÿöèè ìåæäó òîé èëè èíîé «ìåðîé âðàùåíèÿ» è ñïëþñíóòîñòüþ íåò, â îòëè÷èå îò ýëëèïñîèäîâ Ìàêëîðåíà. Ïîýòîìó óäèâëåíèå âûçûâàëè âñòðå÷àâøèåñÿ äî ñåðåäèíû 1970-õ ñîîáùåíèÿ îá îáíàðóæåíèè ïîäîáíîé êîððåëÿöèè äëÿ ðåàëüíûõ ãàëàêòèê. Íî â 1977 ã. Ã. Èëëèíãâîðò, à çàòåì è äðóãèå àâòîðû îïðåäåëèëè, ÷òî íàáëþäàâøèåñÿ èìè ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè ïðàêòè÷åñêè íå âðàùàþòñÿ. Ðàâíîâåñèå òàêèõ ñèñòåì îêàçûâàåòñÿ âîçìîæíûì íå èç-çà áàëàíñà ãðàâèòàöèîííîé è öåíòðîáåæíîé ñèë, à âñëåäñòâèå àíèçîòðîïèè ðàñïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòåé. Òåïåðü îáðàòèìñÿ ê ÷åòíîé ïî ñêîðîñòÿì ÷àñòè ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ F+(r, v). Ä. Ëèíäåí-Áåëë äîêàçàë â 1962 ã., ÷òî â ïðèíöèïå îíà îäíîçíà÷íî îïðåäåëÿåòñÿ ðàñïðåäåëåíèåì ìàññ. Ê ñîæàëåíèþ, äî ñèõ ïîð íå ñóùåñòâóåò àíàëèòè÷åñêèõ àëãîðèòìîâ íàõîæäåíèÿ ýòîé ôóíêöèè, ïðèãîäíûõ äëÿ ðåàëèñòè÷åñêèõ âûðàæåíèé äëÿ ôóíêöèè ïëîòíî-
3.14. Ðàâíîâåñèå çâåçäíûõ ñèñòåì
97
ñòè r(r), õîòÿ Õ. Äåéîíãå (Ãåíò) â 1986 ã. è Ê. Õàíòåð (Òàëëàõàññè) â 1992 ã. ñäåëàëè êðóïíûå øàãè â ýòîì íàïðàâëåíèè.  ñëó÷àå ìîäåëåé Êóçìèíà, äëÿ êîòîðûõ èçâåñòåí òðåòèé èíòåãðàë I3, îñíîâû òåîðèè íàõîæäåíèÿ ðàâíîâåñíîé ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ áûëè ñôîðìóëèðîâàíû ñàìèì Ã. Ã. Êóçìèíûì â 1956 ã. Åñëè F (r, v) = Y(E, h, I3), òî îïÿòü âñòàåò ïðîáëåìà âûáîðà. Ñóùåñòâåííîãî ðàçâèòèÿ òåîðèè óäàëîñü äîñòè÷ü â 1988 ã. ìîëîäûì â òî âðåìÿ Õ. Äåéîíãå è Ò. äe Çååóâó, êîòîðûå íàøëè ïðèìåð òàêîé ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ. Çàòåì, â 1990-å ãã., Äåéîíãå âìåñòå ñ ïîÿâèâøèìèñÿ ó íåãî ó÷åíèêàìè ïðåäëîæèë ÷èñëåííóþ òåõíèêó ïîñòðîåíèÿ ìîäåëåé ñ òðåõîñíûì ðàñïðåäåëåíèåì ñêîðîñòåé è ïðèìåíèë åå ê ðÿäó ãàëàêòèê. Ïîäîáíûå ìåòîäû ðàçðàáàòûâàëèñü è äëÿ ïîñòðîåíèÿ ìîäåëåé òðåõîñíûõ íåâðàùàþùèõñÿ çâåçäíûõ ñèñòåì, äëÿ êîòîðûõ èçâåñòíû òðè èíòåãðàëà äâèæåíèÿ. Çíà÷èòåëüíîå ðàçâèòèå ïîëó÷èëà òåîðèÿ ðàâíîâåñíûõ ìîäåëåé çâåçäíûõ ñèñòåì, èìåþùèõ ôîðìó îäíîðîäíûõ ýëëèïñîèäîâ. Ïèîíåðñêèìè çäåñü ÿâëÿþòñÿ âûïîëíåííûå â 1960-å ãã. èññëåäîâàíèÿ Ê. Ôðèìåíà, ðàáîòàâøåãî â òî âðåìÿ â Êåìáðèäæå (Àíãëèÿ) íàä äèññåðòàöèåé. Ó ïîñòðîåííûõ èì ìîäåëåé òðåõîñíûõ ýëëèïñîèäîâ áûëî ñëåäóþùåå ëþáîïûòíîå ñâîéñòâî: ýëëèïñîèä, ðàçóìååòñÿ, âðàùàëñÿ òâåðäîòåëüíî, íî âíóòðè íåãî âî âðàùàþùåéñÿ ñèñòåìå îòñ÷åòà ñêîðîñòü öåíòðîèäà áûëà îòëè÷íà îò íóëÿ. Îíà ÿâëÿëàñü ëèíåéíîé ôóíêöèåé êîîðäèíàò, íî íà ãðàíèöå ýëëèïñîèäà îáðàùàëàñü â íóëü. Òàêèì æå ñâîéñòâîì îáëàäàëè òðåõîñíûå æèäêèå ãðàâèòèðóþùèå ýëëèïñîèäû, î êîòîðûõ ïèñàë âåëèêèé ìàòåìàòèê Á. Ðèìàí â 1860 ã., íî êîòîðûå çàòåì ñòî ëåò ïî÷òè íå ïðèâëåêàëè âíèìàíèÿ. Ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî âíóòðè òàêèõ ýëëèïñîèäîâ âåùåñòâî îáëàäàåò öèðêóëÿöèåé. Íà ïåðâûé âçãëÿä äàííîå ñâîéñòâî ìîäåëåé êàæåòñÿ ýêçîòèêîé, òåì áîëåå, ÷òî íàéäåííîå Ôðèìåíîì âûðàæåíèå äëÿ ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ ôèçè÷åñêè íåïðàâäîïîäîáíî. Îäíàêî ïîÿâëÿëèñü ñîîáùåíèÿ îá îáíàðóæåíèè ïîäîáíîãî ðîäà âíóòðåííèõ äâèæåíèé ó ðåàëüíûõ ãàëàêòèê.  äàëüíåéøåì ðàçâèòèè òåîðèè ó÷àñòâîâàë ðÿä àâòîðîâ, íî íàèáîëüøèõ óñïåõîâ äîáèëñÿ Á. Ï. Êîíäðàòüåâ (Èæåâñê), â ðàáîòàõ êîòîðîãî äàííîå íàïðàâëåíèå çâåçäíîé äèíàìèêè áûëî â èçâåñòíîé ñòåïåíè çàâåðøåíî.  1979 ã. 67-ëåòíèé Ì. Øâàðöøèëüä, àâòîð ìíîãèõ ïîëó÷èâøèõ ïðèçíàíèå èññëåäîâàíèé ïî ðàçëè÷íûì ðàçäåëàì àñòðîôèçèêè è ôèçèêè, îïóáëèêîâàë ñòàòüþ, êîòîðàÿ ïðèâåëà ê ïðèíöèïèàëüíî íîâîìó ïîäõîäó ê ïîñòðîåíèþ ðàâíîâåñíûõ ìîäåëåé çâåçäíûõ ñèñòåì.
98
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
Íeñêîëüêî óïðîùàÿ, ìåòîä Øâàðöøèëüäà ìîæíî îïèñàòü ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ìû èñõîäèì èç âûðàæåíèÿ äëÿ ïëîòíîñòè r(r) è ñîîòâåòñòâóþùåé ôóíêöèè P(r). Âñå ïðîñòðàíñòâî ðàçáèâàåòñÿ íà áîëüøîå êîëè÷åñòâî ìàëûõ ÿ÷ååê. Âû÷èñëÿåòñÿ áîëüøîå ÷èñëî îðáèò ñ ðàçíîîáðàçíûìè íà÷àëüíûìè óñëîâèÿìè. Ïðè ýòîì íàõîäèòñÿ âðåìÿ ïðåáûâàíèÿ êàæäîé çâåçäû â ÿ÷åéêàõ, êîòîðûå îíà ïåðåñåêàåò. Çàòåì äëÿ êàæäîé ÿ÷åéêè ïîäñ÷èòûâàåòñÿ ñóììàðíîå âðåìÿ ïðåáûâàíèÿ â íåé çâåçä. Ñëåäóþùåé çàäà÷åé ÿâëÿåòñÿ ïðèïèñûâàíèå êàæäîé îðáèòå òàêîãî âåñà, ÷òîáû ïîëó÷èâøàÿñÿ ïëîòíîñòü çàïîëíåíèÿ ÿ÷ååê ñîîòâåòñòâîâàëà èñõîäíîé ïëîòíîñòè. Ïîñëå ýòîãî ïî îðáèòàì, ïîïàâøèì â ÿ÷åéêó, ñ ó÷åòîì âåñîâ îðáèò äëÿ êàæäîé ÿ÷åéêè ìîæíî îïðåäåëèòü ñêîðîñòü öåíòðîèäà, äèñïåðñèè îñòàòî÷íûõ ñêîðîñòåé è, íàêîíåö, ôóíêöèþ ðàñïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòåé. Òàêèì îáðàçîì óäàåòñÿ ÷èñëåííî ïîñòðîèòü ñàìîñîãëàñîâàííóþ ìîäåëü çâåçäíîé ñèñòåìû.  äàëüíåéøåì ìíîãèå àâòîðû óñîâåðøåíñòâîâàëè èëè ìîäèôèöèðîâàëè ìåòîä Øâàðöøèëüäà ñ òåì, ÷òîáû ó÷åñòü íàëè÷èå â ñèñòåìå êàê óïîðÿäî÷åííûõ, òàê è õàîòè÷åñêèõ îðáèò, ëó÷øå ïðèâÿçàòü ìîäåëü ê íàáëþäàòåëüíûì äàííûì äëÿ ðåàëüíûõ ãàëàêòèê è ò. ä.  íàñòîÿùåå âðåìÿ áîëüøîå ÷èñëî ìîäåëåé çâåçäíûõ ñèñòåì (âêëþ÷àÿ è íàøó Ãàëàêòèêó) ïîñòðîåíî ïîäîáíûì îáðàçîì.
3.15. Îá óñòîé÷èâîñòè çâåçäíûõ ñèñòåì  ïðèðîäå ðåàëèçóþòñÿ òîëüêî ðàâíîâåñíûå ñîñòîÿíèÿ, óñòîé÷èâûå îòíîñèòåëüíî ïîñòîÿííî ñóùåñòâóþùèõ ìàëûõ âîçìóùåíèé. Íàïðèìåð, íèêòî íå âèäåë êàðàíäàø, ñòîÿùèé íà îñòðèå. Åñëè îáñóæäàâøèåñÿ âûøå ìîäåëè çâåçäíûõ ñèñòåì ïðèãîäíû äëÿ îïèñàíèÿ ðåàëüíûõ ñèñòåì, òî îíè äîëæíû áûòü óñòîé÷èâûìè. Ôóíäàìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ óñòîé÷èâîñòè ôèãóð ðàâíîâåñèÿ ãðàâèòèðóþùåé æèäêîñòè (òàêèõ, êàê óïîìÿíóòûå âûøå ýëëèïñîèäû Ìàêëîðåíà) âûïîëíèë ñòî ëåò íàçàä âåëèêèé ðóññêèé ìàòåìàòèê À. Ì. Ëÿïóíîâ.  1960-å ãã. íîâûé ìåòîä èññëåäîâàíèÿ ýòèõ ïðîáëåì ðàçðàáîòàë Ñ. ×àíäðàñåêàð. Ìåæäó ôèãóðàìè ðàâíîâåñèÿ íåñæèìàåìîé ãðàâèòèðóþùåé æèäêîñòè è ãàëàêòèêàìè ñóùåñòâóåò ãëóáîêàÿ àíàëîãèÿ, íî íåïîñðåäñòâåííî ê çâåçäíûì ñèñòåìàì ðåçóëüòàòû âåëèêèõ êëàññèêîâ ïðèìåíèòü íåëüçÿ.  ÷àñòíîñòè, äåëî òóò â òîì, ÷òî â òåîðèè ôèãóð ðàâíîâåñèÿ, êàê ïðàâèëî, ðàññìàòðèâàþòñÿ òîëüêî âîçìóùåíèÿ, ïðèâîäÿùèå ê ïîâåðõíîñòíûì äåôîðìàöèÿì, áåç íàðóøåíèÿ ïðîñòðàíñòâåííîé îäíîðîäíîñòè, à ó ðåàëüíûõ ãàëàêòèê ÷åòêèõ íàðóæíûõ ãðàíèö íåò, íå ãîâîðÿ óæå î òîì, ÷òî îíè íå ÿâëÿþòñÿ îäíîðîäíûìè.
99
3.15. Îá óñòîé÷èâîñòè çâåçäíûõ ñèñòåì
3.15.1. Ãðàâèòàöèîííàÿ íåóñòîé÷èâîñòü Áîëüøîå àñòðîíîìè÷åñêîå çíà÷åíèå èìååò óïîìèíàâøàÿñÿ âûøå äæèíñîâñêàÿ, èëè ãðàâèòàöèîííàÿ, íåóñòîé÷èâîñòü, ïðèâîäÿùàÿ ê ðîñòó ïåðâîíà÷àëüíî ìàëûõ íåîäíîðîäíîñòåé ïëîòíîñòè. Ïðàâèëüíîå ïî ïîðÿäêó âåëè÷èíû âûðàæåíèå äëÿ êðèòè÷åñêîé äëèíû âîëíû Äæèíñà lJ, ò. å. äëÿ íàèìåíüøåãî ðàçìåðà íåîäíîðîäíîñòè, ïðèâîäÿùåãî ê íåóñòîé÷èâîñòè, ìîæíî ïîëó÷èòü èç ñëåäóþùèõ ýëåìåíòàðíûõ ñîîáðàæåíèé. Ïóñòü l — ïåðâîíà÷àëüíûé ðàäèóñ âîçìóùåíèÿ, êîòîðîå áóäåì ïðåäñòàâëÿòü îäíîðîäíûì ãàçîâûì øàðîì. Íà âîçìóùåíèå äåéñòâóþò ñèëà ãðàâèòàöèè, ñòðåìÿùàÿñÿ ñæàòü åãî, è ïðåïÿòñòâóþùàÿ ýòîìó ñèëà ãàçîâîãî äàâëåíèÿ. Åñëè áû íå áûëî äàâëåíèÿ, âñå ÷àñòèöû øàðà óïàëè áû ðàäèàëüíî ê öåíòðó çà âðåìÿ, èìåþùåå ïîðÿäîê âðåìåíè ïåðåñå÷åíèÿ äëÿ øàðà. Òî÷íåå, ïî òðåòüåìó çàêîíó Êåïëåðà, îïðåäåëèì åãî êàê ïîëîâèíó îðáèòàëüíîãî ïåðèîäà äâèæåíèÿ ïî ñèëüíî âûòÿíóòîé êîìåòîîáðàçíîé îðáèòå: Pg = p
l3 , 8 GM
ãäå M — ìàññà øàðà. Ââîäÿ ïëîòíîñòü øàðà r = 3M/(4pl3), ïîëó÷àåì Pg »
1 . pGr
Ýòî õàðàêòåðíîå âðåìÿ ñæàòèÿ øàðà (òàê íàçûâàåìîå âðåìÿ ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ) ïðè íàëè÷èè ãðàâèòàöèè è îòñóòñòâèè ãàçîâîãî äàâëåíèÿ. À åñëè áû íå áûëî ãðàâèòàöèè, íî áûëî âíóòðåííåå äàâëåíèå, øàð ðàñøèðÿëñÿ áû ñî ñêîðîñòüþ ðàñïðîñòðàíåíèÿ ìàëûõ âîçìóùåíèé â ñðåäå; åå íàçûâàþò ñêîðîñòüþ çâóêà. Îáîçíà÷èì åå c. Òîãäà õàðàêòåðíîå âðåìÿ ðàñøèðåíèÿ Pe = l/c (îáû÷íî åãî íàçûâàþò äèíàìè÷åñêèì âðåìåíåì).  òåîðèè ãàçîâ âûâîäèòñÿ âûðàæåíèå äëÿ ñêîðîñòè çâóêà.  ñëó÷àå àäèàáàòè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â èäåàëüíîì ãàçå (êîãäà òåïëîâûìè ÿâëåíèÿìè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü) c=
gÂT m
,
ãäå  — óíèâåðñàëüíàÿ ãàçîâàÿ ïîñòîÿííàÿ, m — ìîëåêóëÿðíàÿ ìàññà, T — òåìïåðàòóðà âîçìóùåíèÿ. Êîýôôèöèåíò g íàçûâàåòñÿ ïîêàçàòåëåì àäèàáàòû, è åãî ÷èñëåííîå çíà÷åíèå çàâèñèò îò ñâîéñòâ ñðåäû. Äëÿ îäíîàòîìíîãî èäåàëüíîãî ãàçà g = 5/3. Èç ýòèõ ñîîòíîøåíèé ñëå-
100
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
äóåò, ÷òî ïðè ôèêñèðîâàííûõ çíà÷åíèÿõ òåìïåðàòóðû è ïëîòíîñòè ñðåäû Pe/Pg µ l, ò. å. áîëüøîé øàð áóäåò áûñòðåå ñæèìàòüñÿ, ÷åì ðàñøèðÿòüñÿ (ñèëà ãðàâèòàöèè ÿâëÿåòñÿ äàëüíîäåéñòâóþùåé!).  êðèòè÷åñêîì ñëó÷àå Pe= Pg. Òîãäà êðèòè÷åñêèé ðàçìåð âîçìóùåíèÿ 1 /2
æ gÂT ö lJ =ç ÷ è pmGr ø
.
Ðàçóìååòñÿ, ôîðìóëû ñàìîãî Äæèíñà (1902, 1928) áûëè çíà÷èòåëüíî áîëåå ñëîæíûìè. Îí èñõîäèë èç óðàâíåíèé ãèäðîäèíàìèêè, êîòîðûå ðåøàë èçâåñòíûì â ìàòåìàòè÷åñêîé ôèçèêå ìåòîäîì ðàçäåëåíèÿ ïåðåìåííûõ. Âûïîëíèòü ìàòåìàòè÷åñêè áåçóïðå÷íûé àíàëèç óðàâíåíèé Äæèíñ íå ñóìåë è áûë âûíóæäåí ñäåëàòü ïðåäïîëîæåíèÿ, ëîãè÷åñêè ïðîòèâîðå÷àùèå îäíî äðóãîìó.  ýòîé ñâÿçè â íåêîòîðûõ êíèãàõ ïèøóò î «ìîøåííè÷åñòâå Äæèíñà» (Jeans’ swindle). Ñåé÷àñ ÿñíî, ÷òî ëþáîé íà åãî ìåñòå «ñìîøåííè÷àë» áû òî÷íî òàê æå.  òåîðèè Äæèíñà ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè ãðàâèòèðóþùàÿ ñðåäà ÿâëÿåòñÿ îäíîðîäíîé, áåñêîíå÷íîé è ñòàöèîíàðíîé, ÷åãî áûòü íå ìîæåò. Äëÿ ïîñòðîåíèÿ ìàòåìàòè÷åñêè ïîñëåäîâàòåëüíîé òåîðèè òðåáóåòñÿ ñóùåñòâåííî èçìåíèòü ïîñòàíîâêó çàäà÷è, íàïðèìåð, ñ÷èòàòü ñðåäó íåñòàöèîíàðíîé (êàê ýòî äåëàåòñÿ â êîñìîëîãèè). Äæèíñ ðàññìàòðèâàë ãàçîâóþ ñèñòåìó. Äëÿ çâåçäíûõ ñèñòåì ìû ìîæåì ôîðìàëüíî âûðàçèòü òåìïåðàòóðó ÷åðåç äèñïåðñèþ ñêîðîñòåé s2, è òîãäà ïîëó÷èì, ÷òî äæèíñîâñêàÿ äëèíà âîëíû lJ ïðîïîðöèîíàëüíà s. Ýòî çíà÷èò, ÷òî ÷åì áîëüøå îñòàòî÷íûå ñêîðîñòè â ãàëàêòèêå, òåì îíà óñòîé÷èâåå. À åñëè òåïåðü âîñïîëüçîâàòüñÿ òåîðåìîé âèðèàëà (çàáûâ, ÷òî ñèñòåìà ïðåäïîëàãàëàñü áåñêîíå÷íîé), òî íàéäåì, ÷òî êðèòè÷åñêàÿ äëèíà âîëíû áóäåò ïîðÿäêà ðàçìåðîâ ñèñòåìû. Ñîâåòóåì ÷èòàòåëÿì ñàìîñòîÿòåëüíî óáåäèòüñÿ â ýòîì.  äåéñòâèòåëüíîñòè ïîäîáíûé ôîðìàëüíûé ïåðåíîñ ðåçóëüòàòîâ, ïîëó÷åííûõ äëÿ ãàçà, íà áåññòîëêíîâèòåëüíûå ãàëàêòèêè ÿâëÿåòñÿ íåîáîñíîâàííûì, òàê êàê ãàçîâàÿ ñðåäà è çâåçäíûå ñèñòåìû îïèñûâàþòñÿ ðàçíûìè óðàâíåíèÿìè. Äëÿ èññëåäîâàíèÿ óñòîé÷èâîñòè çâåçäíûõ ñèñòåì ñëåäóåò ïîëîæèòü F(r, v; t) = F0 (r, v) + dF(r, v; t), r(r; t) = r0 (r) + dr(r; t), P(r; t) = P0 (r) + dP(r; t),
3.15. Îá óñòîé÷èâîñòè çâåçäíûõ ñèñòåì
101
ãäå ôóíêöèè F0(r, v), r0(r), P0(r) ñîîòâåòñòâóþò íåâîçìóùåííîìó ñîñòîÿíèþ, óñòîé÷èâîñòü êîòîðîãî èññëåäóåòñÿ, à dF, dr, dP — âîçìóùåíèÿ, êîòîðûå ñ÷èòàþòñÿ íàñòîëüêî ìàëûìè, ÷òî êâàäðàòàìè ýòèõ âåëè÷èí ïðåíåáðåãàþò. Òàêèå âûðàæåíèÿ ïîäñòàâëÿþòñÿ â áåññòîëêíîâèòåëüíîå óðàâíåíèå Áîëüöìàíà è â óñëîâèå ñàìîãðàâèòèðóåìîñòè, ñâÿçûâàþùåå ïëîòíîñòü è ïîòåíöèàëüíóþ ýíåðãèþ. Çàòåì îáû÷íî ïîëàãàþò dF(r, v; t) = F1(r, v) eist
è àíàëîãè÷íî äðóãèå âîçìóùåíèÿ. Óäèâëÿòüñÿ òîìó, ÷òî â âûðàæåíèå äëÿ âåùåñòâåííîé ôóíêöèè dF âõîäèò ìíèìàÿ åäèíèöà i, íå ñëåäóåò. Åñëè íàðÿäó ñ F1eist â îáùåå ðåøåíèå óðàâíåíèé äëÿ âîçìóùåíèé âõîäèò è êîìïëåêñíî ñîïðÿæåííîå âûðàæåíèå (ðàâíîå F1e–ist â ñëó÷àå âåùåñòâåííîñòè s è F1), òî ñóììà èõ, î÷åâèäíî, áóäåò âåùåñòâåííîé.  òî æå âðåìÿ ïîäîáíàÿ çàïèñü âûðàæåíèé äëÿ âîçìóùåíèé çíà÷èòåëüíî óïðîùàåò ðàñ÷åòû.  ðåçóëüòàòå ïîëó÷àåòñÿ ñèñòåìà ëèíåéíûõ óðàâíåíèé äëÿ àìïëèòóä âîçìóùåíèé F1, r1, P1, â êîòîðóþ âõîäèò âåëè÷èíà s â êà÷åñòâå ïàðàìåòðà. Îáû÷íî îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ýòà ñèñòåìà èìååò ðåøåíèå òîëüêî ïðè îïðåäåëåííûõ çíà÷åíèÿõ s (ãîâîðÿò, ÷òî èõ ñîâîêóïíîñòü ñîñòàâëÿåò ñïåêòð). Åñëè âñå s, äëÿ êîòîðûõ ñóùåñòâóåò ðåøåíèå, ÿâëÿþòñÿ âåùåñòâåííûìè, òî ðåøåíèå áóäåò îãðàíè÷åííûì âî âðåìåíè, è âîçìóùåíèÿ áóäóò èçìåíÿòüñÿ ñî âðåìåíåì ïåðèîäè÷åñêè, ñ ïåðèîäîì, ðàâíûì 2p/|s| (âñïîìíèì ôîðìóëó Ýéëåðà eist = cos st + i sin st).  òàêîì ñëó÷àå èññëåäóåìàÿ íåâîçìóùåííàÿ ìîäåëü ÿâëÿåòñÿ (ëèíåéíî) óñòîé÷èâîé. Åñëè æå s — ìíèìîå èëè êîìïëåêñíîå ñ ìíèìîé ÷àñòüþ, îòëè÷íîé îò íóëÿ, òî â çàâèñèìîñòè îò çíàêà Im s äàííîå ÷àñòíîå ðåøåíèå áóäåò èëè ýêñïîíåíöèàëüíî âîçðàñòàòü ñî âðåìåíåì (÷òî îçíà÷àåò íåóñòîé÷èâîñòü), èëè çàòóõàòü. Èòàê, îáùèé ïëàí èññëåäîâàíèÿ óñòîé÷èâîñòè ÿñåí. Ê ñîæàëåíèþ, ïðàêòè÷åñêè ðåàëèçîâàòü åãî äî ñèõ ïîð óäàâàëîñü ëèøü â î÷åíü íåìíîãèõ ñëó÷àÿõ èç-çà îãðîìíûõ òåõíè÷åñêèõ òðóäíîñòåé. Òåïåðü âåðíåìñÿ ê äæèíñîâñêîé íåóñòîé÷èâîñòè. Äëÿ áåññòîëêíîâèòåëüíûõ ñèñòåì åå èññëåäîâàëè â 1960-å ãã. Ä. Ëèíäåí-Áåëë, à çàòåì Ì. Í. Ìàêñóìîâ è Ë. Ñ. Ìàðî÷íèê è äð., áîëåå èëè ìåíåå ñëåäóÿ îïèñàííîé ñõåìå. Êîíêðåòíåå, ïðèøëîñü âîñïîëüçîâàòüñÿ òåîðèåé ïëàçìåííûõ íåóñòîé÷èâîñòåé, ðàçðàáîòàííîé â 1946 ã. Ë. Ä. Ëàíäàó, ïðèñïîñîáèâ åå ê ãðàâèòèðóþùèì ñðåäàì. Îêàçàëîñü, ÷òî ïðè ðåàëèñòè÷åñêèõ ðàñïðåäåëåíèÿõ ñêîðîñòåé êðèòè÷åñêàÿ äëèíà âîëíû îñòàåòñÿ ïðàêòè÷åñêè òàêîé æå. Îäíàêî ïîâåäåíèå ðåøåíèé äëÿ ãàçîâîé è çâåçäíîé ñðåä ïðè ìàëûõ ìàñøòàáàõ âîçìóùåíèé îêàçàëîñü ðàçëè÷-
102
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
íûì: åñëè â ãàçå ïðîèñõîäÿò êîëåáàíèÿ ïëîòíîñòè, òî â çâåçäíîé ñèñòåìå âîçìóùåíèÿ áóäóò çàòóõàòü (ýòî àíàëîã èçâåñòíîãî â ôèçèêå ïëàçìû çàòóõàíèÿ Ëàíäàó). Èçáåæàòü â ýòîé òåîðèè «ìîøåííè÷åñòâà Äæèíñà» íå óäàëîñü. 3.15.2. Óñòîé÷èâîñòü ñôåðè÷åñêèõ çâåçäíûõ ñèñòåì Ïåðâûå ñòðîãèå ñîäåðæàòåëüíûå ðåçóëüòàòû ïî òåîðèè óñòîé÷èâîñòè òî÷íûõ ìîäåëåé áåññòîëêíîâèòåëüíûõ çâåçäíûõ ñèñòåì áûëè ïîëó÷åíû â 1960 è 1962 ãã. Â. À. Àíòîíîâûì, èññëåäîâàâøèì óñòîé÷èâîñòü ñôåðè÷åñêèõ ñèñòåì ñ èçîòðîïíûì ðàñïðåäåëåíèåì ñêîðîñòåé, òàê ÷òî äëÿ ýòèõ ìîäåëåé ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ F0(r, v) = Y(E). Îñíîâíûå ðåçóëüòàòû Àíòîíîâà ìîæíî âûðàçèòü â âèäå ñëåäóþùèõ çàêîíîâ. 1. Åñëè ôóíêöèÿ Y(E) ÿâëÿåòñÿ óáûâàþùåé (êàê ýòî èìååò ìåñòî äëÿ âñåõ áîëåå èëè ìåíåå ðåàëèñòè÷íûõ ìîäåëåé ñ ðàñïðåäåëåíèåì ñêîðîñòåé, íàïîìèíàþùèì ìàêñâåëëîâñêîå), òî çâåçäíàÿ ñèñòåìà óñòîé÷èâà, åñëè óñòîé÷èâ ãàçîâûé ãðàâèòèðóþùèé øàð ñ òàêèì æå çàêîíîì ïëîòíîñòè. Òàêèì îáðàçîì, ïåðâûé çàêîí Àíòîíîâà ñâîäèò ñëîæíóþ çàäà÷ó îá óñòîé÷èâîñòè áåññòîëêíîâèòåëüíîé çâåçäíîé ñèñòåìû ê ìíîãî áîëåå ïðîñòîé çàäà÷å îá óñòîé÷èâîñòè çâåçä. 2. Åñëè ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ Y(E) ÿâëÿåòñÿ óáûâàþùåé, òî çâåçäíàÿ ñèñòåìà óñòîé÷èâà îòíîñèòåëüíî âñåõ âîçìóùåíèé, íàðóøàþùèõ ñôåðè÷åñêóþ ñèììåòðèþ. Âìåñòî òðåòüåãî çàêîíà Àíòîíîâà ïðèâåäåì áîëåå ñèëüíûé ðåçóëüòàò, êîòîðûé óñòàíîâèëè â 1971 ã. Ï. Äîðåìóñ, Ì. Ôý (M. Feix) è Ã. Áàóìàí: åñëè Y(E) ÿâëÿåòñÿ óáûâàþùåé ôóíêöèåé, òî ñèñòåìà óñòîé÷èâà îòíîñèòåëüíî ðàäèàëüíûõ âîçìóùåíèé. Èç ýòèõ óòâåðæäåíèé ñëåäóåò óñòîé÷èâîñòü óïîìèíàâøèõñÿ âûøå ìîäåëåé ñôåðè÷åñêèõ ñèñòåì Øóñòåðà—Ïëàììåðà, Ýíîíà, Êyçìèíà— Ìàëàñèäçå—Âåëòìàííà â ñëó÷àå èçîòðîïíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ çâåçäíûõ ñêîðîñòåé. Ìåòîä Àíòîíîâà ïîçâîëÿåò òàêæå èññëåäîâàòü óñòîé÷èâîñòü è íåêîòîðûõ ìîäåëåé ñ àíèçîòðîïíûì ðàñïðåäåëåíèåì ñêîðîñòåé îòíîñèòåëüíî ðàäèàëüíûõ âîçìóùåíèé. Ã. Ñ. Áèñíîâàòûé-Êîãàí, ß. Á. Çåëüäîâè÷ è À. Ì. Ôðèäìàí äîêàçàëè â 1969 ã. óñòîé÷èâîñòü ñèñòåì ñ êðóãîâûìè îðáèòàìè (ìîäåëü Ñòåïàíîâà).  äàëüíåéøåì À. Ì. Ôðèäìàí è È. Ã. Øóõìàí äîïîëíèëè è óòî÷íèëè ýòîò âûâîä. Îêàçàëîñü, â ÷àñòíîñòè, ÷òî äàæå âðàùàþùèéñÿ øàð ñ êðóãîâûìè îðáèòàìè, êàê ýòî íè óäèâèòåëüíî, óñòîé÷èâ. Ïî÷åìó æå íàì íå óäàåòñÿ îáíàðóæèòü øàðîâûå ñêîïëåíèÿ ñ êðóãîâûìè îðáèòàìè, è ó øàðîâûõ ñêîïëåíèé íå íàáëþäàåòñÿ ñêîëüêî-íèáóäü çàìåòíîãî âðàùåíèÿ? (Ñêîïëåíèå w Êåíòàâðà — íå ñôåðè÷åñêîå, è âîîáùå ýòî
3.15. Îá óñòîé÷èâîñòè çâåçäíûõ ñèñòåì
103
îñîáàÿ ñèñòåìà.) Åñòåñòâåííî çàäàòüñÿ òåîðåòè÷åñêèì âîïðîñîì: óñòîé÷èâû ëè ñôåðè÷åñêèå ñèñòåìû ñ ïðîìåæóòî÷íûì (ðàäèàëüíî ñïëþñíóòûì) ðàñïðåäåëåíèåì ñêîðîñòåé? Äëÿ ïðîèçâîëüíûõ ìîäåëåé âîïðîñ ïîêà îòêðûò, íî äëÿ ñèëüíî èäåàëèçèðîâàííîé ìîäåëè îäíîðîäíîãî øàðà ïîëîæèòåëüíûé îòâåò äàëè â 1990 ã. Â. À. Àíòîíîâ è åãî ó÷åíèê Ñ. Í. Íóðèòäèíîâ. Áîëüøèé êîñìîãîíè÷åñêèé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿåò äðóãîé ïðåäåëüíûé ñëó÷àé, êîãäà âñå çâåçäû äâèãàþòñÿ ïî ðàäèàëüíûì îðáèòàì, ïðîõîäÿùèì ÷åðåç öåíòð.  1973 ã. Â. À. Àíòîíîâ äîêàçàë, ÷òî òàêàÿ Ðèñ. 3.27. Â. À. Àíòîíîâ. ìîäåëü íåóñòîé÷èâà. Ýòîò ðåçóëüòàò íå ÿâèëñÿ íåîæèäàííûì. Ñèñòåìà ñ ðàäèàëüíûìè îðáèòàìè ìîæåò ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê «õîëîäíàÿ» â ïîïåðå÷íîì íàïðàâëåíèè, à òîãäà íåóñòîé÷èâîñòü ìîãëà áû îæèäàòüñÿ íà îñíîâàíèè êðèòåðèÿ Äæèíñà. Âñëåäñòâèå íåóñòîé÷èâîñòè ó çâåçä ïîÿâÿòñÿ ïîïåðå÷íûå ñêîðîñòè, ÷òî ïðèâåäåò ê ïåðåñòðîéêå õîäà ïëîòíîñòè. Ïî ðàñ÷åòàì íåêîòîðûõ àâòîðîâ ñèñòåìà ñíà÷àëà ñòàíåò òðåõîñíîé, íàïîìèíàþùåé SB-ãàëàêòèêó, à çàòåì ìîæåò ñíîâà ñòàòü ñôåðè÷åñêîé. Äîêàçàííàÿ Àíòîíîâûì íåóñòîé÷èâîñòü ïîëó÷èëà íàçâàíèå «íåóñòîé÷èâîñòü ðàäèàëüíûõ îðáèò». Åå îòêðûòèå ïîñëóæèëî èñõîäíûì ïóíêòîì äëÿ áîëüøîãî êîëè÷åñòâà èññëåäîâàíèé, â êîòîðûõ ñ ðàçâèòèåì ýòîé íåóñòîé÷èâîñòè ñâÿçûâàëîñü ôîðìèðîâàíèå íàáëþäàåìîé ñòðóêòóðû ãàëàêòèê. Â. Ë. Ïîëÿ÷åíêî è È. Ã. Øóõìàí (Èðêóòñê) íà ïðèìåðå íåêîòîðûõ ïðîñòûõ ìîäåëåé ïîêàçàëè, ÷òî íåóñòîé÷èâû è ñôåðè÷åñêèå çâåçäíûå ñèñòåìû ñ ñèëüíî âûòÿíóòûìè (õîòÿ è íå ïðÿìîëèíåéíûìè) îðáèòàìè. 3.15.3. Íåóñòîé÷èâîñòè â ìîäåëÿõ ñïëþñíóòûõ ãàëàêòèê À ÷òî ìîæíî ñêàçàòü îá óñòîé÷èâîñòè òàêèõ çâåçäíûõ ñèñòåì, ðàâíîâåñèå êîòîðûõ ïîääåðæèâàåòñÿ â îñíîâíîì çà ñ÷åò âðàùåíèÿ? Ðàññìîòðèì ïðåäåëüíûé ñëó÷àé áåñêîíå÷íî òîíêîãî äèñêà, êîòîðûé áóäåì ñ÷èòàòü òâåðäîòåëüíî âðàùàþùèìñÿ. Ïóñòü S0 — ïîâåðõíîñòíàÿ ïëîòíîñòü äèñêà, w — óãëîâàÿ ñêîðîñòü åãî âðàùåíèÿ, R* — ðàäèóñ äèñêà. Ïîëíàÿ ìàññà äèñêà ðàâíà pSR*2. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî äèñê íåìíîãî ñæàëñÿ äî (1 – e) ïåðâîíà÷àëüíîãî ðàçìåðà. Íîâóþ óãëîâóþ ñêîðîñòü îáîçíà÷èì w1.  ðåçóëüòàòå ñæàòèÿ çâåçäà íà ïåðèôåðèè äèñêà áóäåò èñïûòûâàòü äîïîëíèòåëüíîå ãðàâèòàöèîííîå ïðèòÿæeíèå:
104
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
é 1 1 ù pGS 0 R 2* ê - 2 ú » 2 peGS 0 . 2 2 ë(1 - e) R * R * û
Ïîñêîëüêó ïðè ñæàòèè ìàññà è ìîìåíò èìïóëüñà ñîõðàíÿþòñÿ, òî wR 2* = w1 (1 - e)2 R 2* ,
ò. å. íîâàÿ óãëîâàÿ ñêîðîñòü w1 = w/(1 – e)2. Ïîýòîìó öåíòðîáåæíàÿ ñèëà èçìåíÿåòñÿ íà âåëè÷èíó w2 R * - w2 R » 3ew2 R * . (1 - e) 3 Åñëè öåíòðîáåæíàÿ ñèëà óâåëè÷èòñÿ íà áóëüøóþ âåëè÷èíó, ÷åì ñèëà ãðàâèòàöèè, òî ñèñòåìà áóäåò ñòðåìèòüñÿ â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå, ò. å. áóäåò óñòîé÷èâîé. Îòñþäà ïîëó÷àåì óñëîâèå íåóñòîé÷èâîñòè w21 (1 - e)R * - w2 R * =
3ew2R* m 2peGÓ0
èëè
2 pGS 0
. 3w2 Òàêèì îáðàçîì, âðàùåíèå ïðåïÿòñòâóåò ãðàâèòàöèîííîé íåóñòîé÷èâîñòè, åñëè ðàçìåð ñèñòåìû áîëüøå íåêîòîðîãî ïðåäåëà, ò. å. âëèÿíèå âðàùåíèÿ ïðîòèâîïîëîæíî âëèÿíèþ îñòàòî÷íûõ ñêîðîñòåé. Íåóñòîé÷èâîñòü «õîëîäíîãî» äèñêà îòíîñèòåëüíî âîçìóùåíèé, ëåæàùèõ â ïëîñêîñòè, óñòàíîâèëè â 1963 ã. Ë. Ìåñòåëü è Ê. Õàíòåð. Ñóùåñòâåííî áîëåå ïîäðîáíûé àíàëèç óñòîé÷èâîñòè äèôôåðåíöèàëüíî âðàùàþùåãîñÿ çâåçäíîãî äèñêà âûïîëíèë â 1964 ã. Àëàð Òîîìðå (Ìàññà÷óñåòñêèé òåõíîëîãè÷åñêèé èíñòèòóò, ÑØÀ). Íàèáîëåå íåóñòîé÷èâûìè îêàçàëèñü âîçìóùåíèÿ ñ äëèíîé âîëíû
R* m
2 pGS 0
, i2 ãäå i — ýïèöèêëè÷åñêàÿ ÷àñòîòà. Ðàçâèòèþ áîëåå äëèííîâîëíîâûõ âîçìóùåíèé ïðåïÿòñòâóåò ñòàáèëèçèðóþùåå äåéñòâèå âðàùåíèÿ, à áîëåå êîðîòêîâîëíîâûõ — îñòàòî÷íûå ñêîðîñòè çâåçä (ïðè áîëüøåé äèñïåðñèè ñêîðîñòåé çâåçäû óëåòÿò èç âîçìóùåííîé îáëàñòè äî òîãî, êàê îíà ñîæìåòñÿ). Ïðè ðàçâèòèè ãðàâèòàöèîííîé íåóñòîé÷èâîñòè ðàññòîÿíèå ìåæäó ñîñåäíèìè óïëîòíåíèÿìè äîëæíî áûòü ïîðÿäêà l*. Òîîìðå íàøåë, ÷òî äèñê ëîêàëüíî óñòîé÷èâ îòíîñèòåëüíî îñåñèììåòðè÷íûõ âîçìóùåíèé, åñëè äèñïåðñèÿ ñêîðîñòåé sR ïðåâîñõîäèò êðèòè÷åñêîå çíà÷åíèå s*:
l* =
s* = kGÓ0/i,
3.15. Îá óñòîé÷èâîñòè çâåçäíûõ ñèñòåì
105
ãäå k — ÷èñëîâàÿ êîíñòàíòà. Ïî Òîîìðå, k » 3,36.  äàëüíåéøåì äðóãèå àâòîðû óòî÷íÿëè çíà÷åíèå k, ó÷èòûâàÿ, íàïðèìåð, êîíå÷íóþ òîëùèíó äèñêà.  îêðåñòíîñòè Ñîëíöà â Ãàëàêòèêå l* » 3 êïê, à s* » 20 êì/ñ. Äëÿ ñòàðûõ çâåçä äèñêà Ãàëàêòèêè sR ïî÷òè âäâîå áîëüøå. Âîîáùå ñèëüíî ñïëþñíóòûì ãðàâèòèðóþùèì ñèñòåìàì óãðîæàþò ðàçíîîáðàçíûå íåóñòîé÷èâîñòè. Êðèòåðèé Òîîìðå ãàðàíòèðóåò ëîêàëüíóþ óñòîé÷èâîñòü òîëüêî äëÿ âîçìóùåíèé, íå íàðóøàþùèõ ðîòàöèîííóþ ñèììåòðèþ, íî íè÷åãî íå ãîâîðèò îá óñòîé÷èâîñòè îòíîñèòåëüíî íåîñåñèììåòðè÷íûõ âîçìóùåíèé, êîòîðûå ïðåäñòàâëÿþò íàèáîëüøèé èíòåðåñ êàê âîçìîæíûå ãåíåðàòîðû ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû ãàëàêòèê.  ðÿäå ðàáîò èññëåäîâàëîñü ðàçâèòèå òàê íàçûâàåìîé áàðìîäû, ò. å. ïðåâðàùåíèå êðóãîâîãî äèñêà â ýëëèïòè÷åñêèé.  1981 ã. À. Ã. Ìîðîçîâ (ðàáîòàâøèé â òî âðåìÿ â Èðêóòñêå) îáîáùèë óñëîâèå Òîîìðå. Äëÿ äèñêà ñ íåâîçìóùåííîé ïîâåðõíîñòíîé ïëîòíîñòüþ Ó0(R) = const è óãëîâîé ñêîðîñòüþ âðàùåíèÿ w(R) µ R–a äëÿ ïîäàâëåíèÿ âñåõ íåîñåñèììåòðè÷íûõ âîçìóùåíèé íåîáõîäèìî, ïî Ìîðîçîâó, ÷òîáû sR l s*(2w/i), ãäå s* — êðèòè÷åñêàÿ äèñïåðñèÿ Òîîìðå. Íåðàâåíñòâî Ìîðîçîâà ñîãëàñóåòñÿ ñ ðåçóëüòàòàìè ÷èñëåííûõ ýêñïåðèìåíòîâ. Äî ñèõ ïîð îáñóæäàëèñü òîëüêî âîçìóùåíèÿ, ëåæàùèå â ïëîñêîñòè äèñêà. Ê. Õàíòåð (1969) ïîäðîáíî èññëåäîâàë ìåìáðàííûå êîëåáàíèÿ, èçãèáàþùèå ïëîñêîñòü äèñêà. Ê. Õàíòåð è À. Òîîìðå ïûòàëèñü îáúÿñíèòü ïîäîáíûì îáðàçîì íàáëþäàåìûé èçãèá ïëîñêîñòè Ãàëàêòèêè. Ïðè ñóùåñòâåííîé àíèçîòðîïèè ðàñïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòåé çâåçä âìåñòî óñòîé÷èâûõ êîëåáàíèé ðàçâèâàåòñÿ «øëàíãîâàÿ íåóñòîé÷èâîñòü». Â. Ë. Ïîëÿ÷åíêî è È. Ã. Øóõìàí (1977, 1979) íàøëè, ÷òî äèñê ìîæåò áûòü íåóñòîé÷èâ ïî îòíîøåíèþ íå òîëüêî ê êðóïíîìàñøòàáíûì äåôîðìàöèÿì, íî è ê ìåëêèì èçãèáàì â âåðòèêàëüíîì íàïðàâëåíèè. Íàáëþäàòåëþ ñî ñòîðîíû áóäåò êàçàòüñÿ, ÷òî äèñê «ðàñïóõ», à ó çâåçä ïîÿâèëèñü ñêîðîñòè â âåðòèêàëüíîì íàïðàâëåíèè. Ïîýòîìó øëàíãîâàÿ íåóñòîé÷èâîñòü ìîæåò áûòü îäíèì èç ìåõàíèçìîâ óâåëè÷åíèÿ äèñïåðñèè ñêîðîñòåé ñ âîçðàñòîì. Ëþáîïûòíî, ÷òî ñàìîãðàâèòàöèÿ äèñêà äåñòàáèëèçèðóåò âîçìóùåíèÿ â ïëîñêîñòè äèñêà, íî ñòàáèëèçèðóåò èçãèáíûå. Íàïðîòèâ, îñòàòî÷íûå ñêîðîñòè çâåçä äåñòàáèëèçèðóþò èçãèáíûå âîçìóùåíèÿ, íî ñïîñîáñòâóþò ðàññàñûâàíèþ ãðàâèòàöèîííûõ âîçìóùåíèé (êðèòåðèè Òîîìðå è Ìîðîçîâà). Ïðèâåäåííûå âûøå ðåçóëüòàòû îòíîñèëèñü ê ïðåäåëüíî ñïëþñíóòûì ñàìîãðàâèòèðóþùèì ìîäåëÿì; âåðîÿòíî, îíè ñïðàâåäëèâû è
106
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
äëÿ äèñêîâ êîíå÷íîé, íî ìàëîé òîëùèíû. Íå ïîòîìó ëè ãàëàêòèê, ñîñòîÿùèõ èç îäíîé äèñêîâîé ñîñòàâëÿþùåé, íå íàáëþäàåòñÿ? Ïðè áîëåå äåòàëüíîì àíàëèçå îêàçûâàåòñÿ, ÷òî èëè ñïëþñíóòûå ãàëàêòèêè ïîãðóæåíû â ãàëî, èëè ó íèõ èìåþòñÿ ïðèçíàêè «òåìíîé ìàòåðèè» (òàêèå êàê ïî÷òè ïëîñêàÿ êðèâàÿ âðàùåíèÿ), â êîòîðóþ îíè ïîãðóæeíû. Åñòåñòâåííà ãèïîòåçà, ÷òî ñèëüíî ñïëþñíóòûå óñòîé÷èâûå ãðàâèòèðóþùèå ñèñòåìû äîëæíû ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê íàõîäÿùèåñÿ âíóòðè ãàëî («ìåðòâîãî», èëè, ÷òî ëó÷øå, «æèâîãî», ò. å. ðåàãèðóþùåãî íà èçìåíåíèÿ â äèñêå). ×èñëåííûå ýêñïåðèìåíòû ñîãëàñóþòñÿ ñ ýòîé ãèïîòåçîé. Íå ñòàë íåîæèäàííûì è ïîëó÷åííûé ïðè ýòîì ðåçóëüòàò: åñëè ìàññà ãàëî ïðåâîñõîäèò ìàññó äèñêà, òî áàð-ìîäà ñòàáèëèçèðóåòñÿ. Îäíàêî íå âñå òàê ïðîñòî. Ñîãëàñíî Â. Ë. Ïîëÿ÷åíêî è È. Ã. Øóõìàíó, ãàëî, ïðåâîñõîäÿùåå ïî ìàññå äèñê â 3–4 ðàçà, äåñòàáèëèçèðóåò èçãèáíûå âîçìóùåíèÿ. Îäíàêî âûïîëíåííûå â 1991 ã. ðàñ÷åòû ó÷åíèöû À. Ã. Ìîðîçîâà Å. À. Ìèõàéëîâîé (Âîëãîãðàä) ïîêàçàëè, ÷òî íàëè÷èå ñêîëü óãîäíî ìàññèâíîãî ãàëî íå ïðåïÿòñòâóåò ñóùåñòâîâàíèþ äèñêîâ, óñòîé÷èâûõ îòíîñèòåëüíî êàê ãðàâèòàöèîííûõ, òàê è èçãèáíûõ âîçìóùåíèé. Îá óñòîé÷èâîñòè çâåçäíûõ ñèñòåì ïðîìåæóòî÷íîé ñïëþñíóòîñòè (ìåæäó øàðàìè è äèñêàìè) èçâåñòíî ìàëî.  1970-å ãã. Â. Ë. Ïîëÿ÷åíêî, È. Ã. Øóõìàí è À. Ã. Ìîðîçîâ òùàòåëüíî èññëåäîâàëè óñòîé÷èâîñòü ìîäåëåé îäíîðîäíûõ äâóõ- èëè òðåõîñíûõ ýëëèïñîèäîâ (ìîäåëè Ôðèìåíà). Çàâèñèìîñòü ñâîéñòâ ìîäåëåé îò îòíîøåíèÿ îñåé ýëëèïñîèäîâ ïîëó÷èëàñü ñëîæíîé, îáëàñòü íåóñòîé÷èâîñòè îêàçàëàñü «êëûêîîáðàçíîé» (ðèñ. 3.28). Âîçìîæíî, ÷òî ýòè ðåçóëüòàòû (ïîëó÷åííûå ÷èñëåííûìè ðàñ÷åòàìè) åùå áóäóò óòî÷íåíû.  1973 ã. èçâåñòíûå (à â òî âðåìÿ — ìîëîäûå) àìåðèêàíñêèå àñòðîôèçèêè Ï. Ïèáëç è Äæ. Îñòðàéêåð âûäâèíóëè ãèïîòåçó, ñîãëàñíî êîòîðîé óñòîé÷èâîñòü (èëè íåóñòîé÷èâîñòü) èçîëèðîâàííîé ãðàâèòèðóþùåé ñèñòåìû, îáëàäàþùåé ðîòàöèîííîé ñèììåòðèåé, îïðåäåëÿåòñÿ îòíîøåíèåì t = Krot / |W|, ãäå Krot — êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ âðàùåíèÿ, à W — ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ. Ïî òåîðåìå âèðèàëà 2(Krot + K¢) = |W|, ãäå K¢ — êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ îñòàòî÷íûõ äâèæåíèé. Îáîçíà÷èì d = K¢/Krot, ò. å. ýòî áåçðàçìåðíîå ÷èñëî, õàðàêòåðèçóþùåå ñîîòíîøåíèå ìåæäó îñòàòî÷íûìè è óïîðÿäî÷åííûìè äâèæåíèÿìè â ñèñòåìå. Òîãäà ïîëó÷àåì, ÷òî t = 1/(2 + 2d).
107
3.15. Îá óñòîé÷èâîñòè çâåçäíûõ ñèñòåì Ðèñ. 3.28. Îáëàñòè óñòîé÷èâîñòè è íåóñòîé÷èâîñòè (çàøòðèõîâàíà) äëÿ ìîäåëåé òðåõîñíûõ ýëëèïñîèäîâ Ôðèìåíà. Ïî îñÿì îòëîæåíû îòíîøåíèÿ îñåé ýëëèïñîèäà. Çâåçäî÷êà ñîîòâåòñòâóåò ãàëàêòèêå NGC 4027.
c/a 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
b/a
Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî 0 m t m 1/2 , ïðè÷åì äëÿ «õîëîäíûõ» ñèñòåì (d = 0) ïîëó÷àåì t = 1/2 , à äëÿ íåâðàùàþùèõñÿ ñèñòåì (êîãäà d ® ¥) èìååì t = 0. Ïî ãèïîòåçå Ïèáëçà—Îñòðàéêåðà äëÿ ñèñòåì ëþáîé ïðèðîäû êðèòè÷åñêîå çíà÷åíèå ïàðàìåòðà t äîëæíî áûòü áëèçêèì ê óíèâåðñàëüíîìó çíà÷åíèþ t* = 0,14 ± 0,08.
Èçâåñòíî, ÷òî äëÿ ñåðèè ýëëèïñîèäîâ Ìàêëîðåíà êðèòè÷åñêèì ÿâëÿåòñÿ çíà÷åíèå 0,1376, ïðè ïåðåõîäå ÷åðåç êîòîðîå ñôåðîèäû ïðåâðàùàþòñÿ â òðåõîñíûå ýëëèïñîèäû. Äëÿ æèäêèõ ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåì êðèòè÷åñêèì ÿâëÿåòñÿ çíà÷åíèå 0,137. Ïî Ïèáëçó è Îñòðàéêåðó, åñëè ñèñòåìà íàñòîëüêî «ãîðÿ÷àÿ», ÷òî t < t*, òî «ñèëüíûå» íåóñòîé÷èâîñòè â íåé äîëæíû áûòü ïîäàâëåíû. Ïîä «ñèëüíûìè» çäåñü ïîíèìàþòñÿ òàêèå íåóñòîé÷èâîñòè, êîòîðûå ïðèâîäÿò ê çàìåòíûì èçìåíåíèÿì êðóïíîìàñøòàáíîé ñòðóêòóðû ñèñòåìû çà âðåìÿ ïîðÿäêà âðåìåíè ïåðåñå÷åíèÿ. ×èñëåííûå ýêñïåðèìåíòû, ïðîâåäåííûå Ïèáëçîì è Îñòðàéêåðîì, ïîäòâåðäèëè, ÷òî ïðè t > t* ìîäåëè áûñòðî ïåðåñòðàèâàþò ñâîþ ôîðìó (äàæå åñëè âûïîëíÿþòñÿ ëîêàëüíûå êðèòåðèè óñòîé÷èâîñòè), ïðè÷åì ñóùåñòâåííóþ ðîëü ïðè ýòîì èãðàåò áàð-ìîäà.  ðåçóëüòàòå ýâîëþöèè ñèñòåìà «íàãðåâàåòñÿ», è t óìåíüøàåòñÿ äî t*.  òî æå âðåìÿ äëÿ ýëëèï-
108
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
ñîèäîâ Ôðèìåíà, óñòîé÷èâîñòü êîòîðûõ äîêàçàíà (ïî êðàéíåé ìåðå îòíîñèòåëüíî íàèáîëåå êðóïíîìàñøòàáíûõ âîçìóùåíèé), t > t*. Èçâåñòíû è äðóãèå ïðèìåðû íàðóøåíèÿ êðèòåðèÿ Ïèáëçà—Îñòðàéêåðà. Ïîýòîìó, õîòÿ äàííûé êðèòåðèé, ïî-âèäèìîìó, ñïðàâåäëèâ äëÿ ñèñòåì, áëèçêèõ ê îñåñèììåòðè÷íûì, îí ÿâíî íàðóøàåòñÿ â ñëó÷àÿõ çàìåòíîé òðåõîñíîñòè.  ñèëó ýòîãî êðèòåðèé Ïèáëçà—Îñòðàéêåðà â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè óòðàòèë ïîïóëÿðíîñòü.  îñíîâíîì âîïðîñ ñâîäèòñÿ ê òîìó, ñ÷èòàòü ëè ðàçâèòèå áàð-ìîäû èñêëþ÷èòåëüíûì ÿâëåíèåì èëè íîðìàëüíûì ñîáûòèåì â æèçíè ãàëàêòèê. Ïîñêîëüêó â äèñêàõ ãàëàêòèê êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ âðàùåíèÿ îáû÷íî áîëüøå ýíåðãèè îñòàòî÷íûõ äâèæåíèé, ìîæíî áûëî áû îæèäàòü, ÷òî ãàëàêòèê áåç öåíòðàëüíûõ áàðîâ íàáëþäàòüñÿ íå äîëæíî. Òî, ÷òî òàêèå ãàëàêòèêè âñòðå÷àþòñÿ, ïîêàçûâàåò, ÷òî äåéñòâóþò äðóãèå ìåõàíèçìû ñòàáèëèçàöèè.  ÷àñòíîñòè, ñòàáèëèçèðóþùóþ ðîëü ìîæåò èãðàòü òåìíîå ãàëî, çà ñ÷åò ÷åãî óâåëè÷èâàåòñÿ |W| è ïîäàâëÿåòñÿ äàæå áàð-ìîäà.
3.16. Î ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðå ãàëàêòèê Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà ãàëàêòèê, êàê ïðàâèëî, ïðîèçâîäèò íàèáîëüøåå âïå÷àòëåíèå íà ðàññìàòðèâàþùèõ èõ èçîáðàæåíèÿ.  1845 ã. èðëàíäñêèé ëþáèòåëü àñòðîíîìèè Ó. Ïàðñîíñ (ãðàô Ðîññ, ëîðä Îêñìàíòàóí) óâèäåë è çàðèñîâàë ñïèðàëüíóþ ñòðóêòóðó ó Ì51, à çàòåì äðóãèõ òóìàííîñòåé (ïðèðîäà êîòîðûõ áûëà â òî âðåìÿ íåèçâåñòíà). Ñ òåõ ïîð ìíîæåñòâî èññëåäîâàòåëåé ïûòàëîñü ïîíÿòü, ÷òî ýòî òàêîå. Áûëè è ÷èñòî êà÷åñòâåííûå äîãàäêè, è ÿâíî ôàíòàñòè÷åñêèå óìîçðåíèÿ, è äåòàëüíûå òåîðèè, ðàçðàáîòàííûå ìàòåìàòè÷åñêè. Ñïèðàëüíûå ðóêàâà, èíîãäà ýôôåêòíûå, íî ÷àùå, ê ñîæàëåíèþ, êîðîòêèå è íåäîëãîâå÷íûå, ïîëó÷àëèñü â ïîñëåäíèå äåñÿòèëåòèÿ è ïðè êîìïüþòåðíîì ìîäåëèðîâàíèè ãàëàêòèê. Íà ïðîòÿæåíèè ïî÷òè ñîðîêà ëåò îäèí èç îñíîâîïîëîæíèêîâ çâåçäíîé äèíàìèêè Á. Ëèíäáëàä ñòàðàëñÿ âûÿñíèòü, êîãäà è ïî÷åìó ó íåêîòîðûõ ãàëàêòèê ïîÿâëÿåòñÿ ñïèðàëüíûé óçîð, è ñ ýòîé öåëüþ ðàçâèâàë íåñêîëüêî ñèëüíî ðàçëè÷àþùèõñÿ ãèïîòåç. Ñâîè ïðåäñòàâëåíèÿ î ïðèðîäå ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû áûëè ó À. Ïóàíêàðå, Äæ. Äæèíñà, ëàóðåàòîâ Íîáåëåâñêîé ïðåìèè Â. Ãåéçåíáåðãà, Ý. Ôåðìè, Ñ. ×àíäðàñåêàðà. È äàæå ñåé÷àñ ìû íå ìîæåì áûòü óâåðåíû, ÷òî èäåì ïî âåðíîé äîðîãå, à íå â òóïèê. Ïðåäñòàâèì ãàëàêòèêó â âèäå äèñêà è íà÷åðòèì íà åãî ïîâåðõíîñòè ñïèðàëüíóþ âåòâü. Ïðèäàäèì äèñêó âðàùåíèå. Ìîæåò îêàçàòüñÿ, ÷òî ãàëàêòèêà áóäåò âîëî÷èòü çà ñîáîé âåòâü, òàê ÷òî îíà áóäåò «çàêðó÷èâàþùåéñÿ». Òàêóþ âåòâü íàçûâàþò îòñòàþùåé (trailing). Ïðè
3.16. Î ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðå ãàëàêòèê
109
Ðèñ. 3.29. Èçìåðåíèå ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé áåç çíàíèÿ î íàêëîíå ãàëàêòèêè íå ïîçâîëÿåò ïîíÿòü, çàêðó÷èâàþòñÿ èëè ðàñêðó÷èâàþòñÿ åå ñïèðàëüíûå ðóêàâà.
âðàùåíèè ãàëàêòèêè â ïðîòèâîïîëîæíóþ ñòîðîíó âåòâü áóäåò «ðàñêðó÷èâàòüñÿ».  ýòîì ñëó÷àå ãîâîðÿò î ëèäèðóþùåé (leading) âåòâè. Êàêîâî æå íàïðàâëåíèå âðàùåíèÿ ðåàëüíûõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê? Îïðåäåëèòü ýòî íåïðîñòî. Ó ãàëàêòèê, íàáëþäàåìûõ ïëàøìÿ, õîðîøî çàìåòíà ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà, íî íåâîçìîæíî îïðåäåëèòü íàïðàâëåíèå èõ âðàùåíèÿ, ïîñêîëüêó ëó÷åâûå ñêîðîñòè âñåõ òî÷åê äèñêà ïðàêòè÷åñêè îäèíàêîâû. Åñëè æå ãàëàêòèêà íàáëþäàåòñÿ ñ ðåáðà, òî åå âðàùåíèå ëåãêî îïðåäåëÿåòñÿ, íî íå âèäíû âåòâè.  ðåçóëüòàòå äëèòåëüíîé äèñêóññèè áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ó áîëüøèíñòâà ãàëàêòèê ñïèðàëüíûé óçîð ÿâëÿåòñÿ îòñòàþùèì. Èçðåäêà, ó âçàèìîäåéñòâóþùèõ ãàëàêòèê, âñòðå÷àþòñÿ ëèäèðóþùèå âåòâè. Èçâåñòíû òàêæå «ã-ôîðìû» ñ âåòâÿìè îáîèõ òèïîâ. Ïî ïåðâîíà÷àëüíîé òåîðèè Á. Ëèíäáëàäà ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà âîçíèêëà èç-çà èñòå÷åíèÿ âåùåñòâà âñëåäñòâèå íåóñòîé÷èâîñòè êðóãîâûõ îðáèò íà ïåðèôåðèè çâåçäíûõ ñèñòåì. Òàêèå âåòâè äîëæíû áûòü ëèäèðóþùèìè, ÷òî â êîíöå êîíöîâ áûëî ïðèçíàíî ïðîòèâîðå÷àùèì íàáëþäåíèÿì. Ïîñëåäíèå òåîðèè Ëèíäáëàäà äîïóñêàëè âåòâè îáîèõ òèïîâ, íî ñàì Ëèíäáëàä âñå ðàâíî ñêëîíÿëñÿ ê ðàñêðó÷èâàíèþ.  êàêîé-òî ñòåïåíè ýòî îáóñëîâèëî ñêåïòè÷åñêîå îòíîøåíèå áîëüøèíñòâà àñòðîíîìîâ ê òåîðèÿì Ëèíäáëàäà.  1960-å ãã. ïîïóëÿðíîñòüþ ïîëüçîâàëàñü ìàãíèòíàÿ òåîðèÿ ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû. Ñîãëàñíî ýòîé òåîðèè, â ïåðâîíà÷àëüíîé ãàçîâîé òóìàííîñòè îáðàçîâàëîñü ìàãíèòíîå ïîëå, ñîáðàâøåå ãàç â ñïèðàëüíûå æãóòû âäîëü ìàãíèòíûõ ñèëîâûõ ëèíèé. Åñëè íàïðÿæåííîñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ äîñòàòî÷íî âåëèêà, îíî ïîëíîñòüþ îïðåäåëÿåò äâèæåíèå âìîðîæåííîãî â íåãî ãàçà. Âåùåñòâî â æãóòàõ óïëîòíÿåòñÿ, è ãàç êîíäåíñèðóåòñÿ â çâåçäû. Ïîýòîìó êàê ãàçîâûå îáëàêà, òàê è ìîëîäûå
110
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
çâåçäû (ãîðÿ÷èå ãèãàíòû è ñâåðõãèãàíòû) äîëæíû ðàñïîëàãàòüñÿ â ñïèðàëüíûõ âåòâÿõ. Ýòî ñîîòâåòñòâóåò äàííûì íàáëþäåíèé. Óâû, îöåíêè íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ãàëàêòèêàõ ïîêàçàëè, ÷òî îíî íåäîñòàòî÷íî ñèëüíî, ÷òîáû óäåðæèâàòü ãàç â ñïèðàëüíûõ âåòâÿõ. Ïîýòîìó ïðèõîäèòñÿ çàêëþ÷èòü, ÷òî ðîëü ýëåêòðîìàãíèòíûõ ñèë â ãåíåðàöèè è ïîääåðæàíèè ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû ìîæåò áûòü ëèøü âòîðè÷íîé, à îñíîâíûìè ÿâëÿþòñÿ ãðàâèòàöèîííûå ýôôåêòû. Âîçìîæíû äâå ïðèíöèïèàëüíî ðàçëè÷íûå êîíöåïöèè ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû. Îäíó èç íèõ óñëîâíî íàçûâàþò «ìàòåðèàëüíîé»: ñïèðàëüíûå ðóêàâà ñ÷èòàþòñÿ ìàòåðèàëüíûìè îáðàçîâàíèÿìè (çâåçäû èëè ãàç ñ ìàãíèòíûì ïîëåì), äâèæóùèìèñÿ â êàæäîé òî÷êå âìåñòå ñ ëîêàëüíîé ñêîðîñòüþ öåíòðîèäà. Òàêèì îáðàçîì, â ñïèðàëüíûõ âåòâÿõ âñå âðåìÿ áóäóò îäíè è òå æå îáúåêòû, ò. å. âåòâè «ñöåïëåíû» ñ âðàùàþùèìñÿ ãàëàêòè÷åñêèì äèñêîì. Âðÿä ëè ýòà êîíöåïöèÿ âñòðåòèëà áû ñåðüåçíûå âîçðàæåíèÿ, åñëè áû â ãàëàêòèêàõ ïðîèçîøëà ðåëàêñàöèÿ, îíè áûëè áû ïî÷òè îäíîðîäíûìè è âðàùàëèñü áû êàê òâåðäîå òåëî, èñêëþ÷àÿ ñàìûå ïåðèôåðèéíûå îáëàñòè. Íî ðåàëüíûå ãàëàêòèêè âðàùàþòñÿ äèôôåðåíöèàëüíî: óãëîâàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ ù = ù(r). Ïîýòîìó åñëè, íàïðèìåð, â íà÷àëüíûé ìîìåíò âåòâü áûëà ïðÿìîëèíåéíîé (îáðàçóþùèå å¸ îáúåêòû âûñòðîèëèñü áû âäîëü ðàäèóñà), òî ÷åðåç íåñêîëüêî îáîðîòîâ îíà ïðåâðàòèëàñü áû â òóãî ñâåðíóâøóþñÿ «çìåþ», à ÷åðåç äåñÿòîê îáîðîòîâ ðàçìûëàñü áû íà ãàëàêòè÷åñêîì ôîíå. Èíòåðåñíûé âàðèàíò ìàòåðèàëüíîé òåîðèè ðàçðàáîòàëè â 1965 ã. Ï. Ãîëäðàéõ è Ä. Ëèíäåí-Áåëë. Îíè ïðåäïîëîæèëè, ÷òî ãàçîâûé ñëîé âðàùàåòñÿ â ñèëüíîì âíåøíåì ãðàâèòàöèîííîì ïîëå, êîòîðîå ñ÷èòàåòñÿ çàäàííûì è íå ïîäâåðæåííûì âîçìóùåíèÿì. Íà îñíîâå ãèäðîäèíàìè÷åñêèõ óðàâíåíèé àâòîðû èññëåäîâàëè ýâîëþöèþ ñî âðåìåíåì âîçìóùåíèÿ ïëîòíîñòè, ôîðìà êîòîðîãî ñ÷èòàëàñü íåèçìåííîé âî âðàùàþùåéñÿ ñ ãàëàêòèêîé ñèñòåìå îòñ÷åòà. Ýòà ýâîëþöèÿ, êàê îêàçàëîñü, íàïîìèíàåò çàðîæäåíèå, íàðàñòàíèå è ðàñïàä ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû. Áåç âñÿêîé òåîðèè ÿñíî, ÷òî ëþáîå ìàòåðèàëüíîå îáðàçîâàíèå, ñâÿçàííîå ñ äèôôåðåíöèàëüíî âðàùàþùåéñÿ ãàëàêòèêîé, áóäåò ðàñòÿãèâàòüñÿ â îòðåçêè ñïèðàëåé, à çàòåì èñ÷åçíåò çà âðåìÿ ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ âðåìåí ïåðåñå÷åíèÿ. Ïîýòîìó ìàòåðèàëüíûå âåòâè áóäóò êîðîòêîæèâóùèìè. Ìàëîâåðîÿòíî, ÷òî ó âñåõ ãàëàêòèê íàáëþäàåìàÿ ñåé÷àñ ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà âîçíèêëà ïî÷òè îäíîâðåìåííî. Îòñþäà íàäî ñäåëàòü âûâîä, ÷òî ñïèðàëüíûå âåòâè ïîñòîÿííî âîçîáíîâëÿþòñÿ («ðåãåíåðèðóþòñÿ»), è òåîðèÿ Ãîëäðàéõà è Ëèíäåí-Áåëëà íàçûâàåòñÿ ðåãåíåðàòèâíîé.
3.16. Î ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðå ãàëàêòèê
111
 ñïèðàëüíûõ âåòâÿõ êîíöåíòðèðóþòñÿ ãàç è ìîëîäûå çâåçäû, âñëåäñòèå ÷åãî ïîÿâëåíèå è èñ÷åçíîâåíèå âåòâåé ìîæåò áûòü ñâÿçàíî ñî âñïûøêàìè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ëîêàëüíûõ îáëàñòÿõ äèñêà (ñõåìà, êîòîðóþ ðàçâèâàëè Õ. Ãåðîëà è Ï. Çàéäåí, 1978). Çà âðåìÿ àêòèâíîãî çâåçäîîáðàçîâàíèÿ (ìåíåå 108 ëåò) ÿðêàÿ îáëàñòü, ñîäåðæàùàÿ ìîëîäûå çâåçäû, âûòÿãèâàåòñÿ â äóãó.  êàæäûé ìîìåíò âðåìåíè áóäåò ðÿä âñïûøåê çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, ïîýòîìó íàáëþäàòåëü çàìåòèò ðÿä äóã, ïîëîæåíèå êîòîðûõ íå áóäåò ñëó÷àéíûì, ïîñêîëüêó óæå âîçíèêøèå çâåçäû áóäóò èíäóöèðîâàòü çâåçäîîáðàçîâàíèå â ñîñåäíèõ îáëàñòÿõ. ßñíî, ÷òî ýòè è ïîäîáíûå òåîðèè íåïðèìåíèìû ê ãàëàêòèêàì ñ òàêèìè ìîùíûìè âåòâÿìè, êàê ó Ì51, îáëàäàþùèìè óïîðÿäî÷åííîé ñòðóêòóðîé (Grand design). Íî, áûòü ìîæåò, îíè ïîäõîäÿò äëÿ îáúÿñíåíèÿ íåðåäêî íàáëþäàåìûõ ìíîãî÷èñëåííûõ êëî÷êîâàòûõ âåòâåé (òàê íàçûâàåìàÿ ôëîêêóëåíòíàÿ ñòðóêòóðà). Ìàòåðèàëüíûìè âåòâÿìè îñîáîãî ðîäà ìîæíî ñ÷èòàòü äëèííûå ñïèðàëåâèäíûå õâîñòû, íàáëþäàåìûå ó âçàèìîäåéñòâóþùèõ ãàëàêòèê è âîçíèêàþùèå, âåðîÿòíî, â ðåçóëüòàòå ïðèëèâíîãî âîçäåéñòâèÿ. Àëüòåðíàòèâíîé ÿâëÿåòñÿ êîíöåïöèÿ ñïèðàëüíûõ âåòâåé êàê âîëí ïëîòíîñòè, âîñõîäÿùàÿ ê Á. Ëèíäáëàäó è ðàçäåëÿåìàÿ ñåé÷àñ áîëüøèíñòâîì èññëåäîâàòåëåé. Ñîâðåìåííûå ðàáîòû îïèðàþòñÿ íà êëàññè÷åñêèå ðåçóëüòàòû, ïîëó÷åííûå âî âòîðîé ïîëîâèíå 1960-õ ãã. ïîä ðóêîâîäñòâîì Ëèíÿ Öçÿöçÿî, êðóïíîãî àìåðèêàíñêîãî ó÷åíîãî êèòàéñêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ, îäíîãî èç ñîçäàòåëåé òåîðèè ãèäðîäèíàìè÷åñêîé óñòîé÷èâîñòè. Èç ñîòðóäíèêîâ Ëèíÿ îòìåòèì Ô. Øó, êîòîðîìó ïðèíàäëåæàò è çíà÷èòåëüíûå ñàìîñòîÿòåëüíûå èññëåäîâàíèÿ (â ÷àñòíîñòè, ïî òåîðèè áóðíîé ðåëàêñàöèè), ×è Þàíÿ (Òàéâàíü), Äæ. Áåðòèíà (Èòàëèÿ). Ñîãëàñíî äàííîé êîíöåïöèè, ñïèðàëüíûå âåòâè ÿâëÿþòñÿ âîëíàìè ïëîòíîñòè, êîòîðûå âðàùàþòñÿ (òâåðäîòåëüíî) íåçàâèñèìî îò äèôôåðåíöèàëüíîãî âðàùåíèÿ ãàëàêòèêè. Ïåðâîíà÷àëüíî Ëèíü è Øó îáðàòèëè âíèìàíèå íà ñëåäóþùåå. Åñëè ïðèìåíèòü êðèòåðèé Òîîìðå ê öåíòðàëüíûì îáëàñòÿì Ãàëàêòèêè, òî äëÿ ìèíèìàëüíîé äèñïåðñèè ñêîðîñòåé, äåëàþùåé äèñê ëîêàëüíî óñòîé÷èâûì, ïîëó÷àåòñÿ íåðåàëüíî áîëüøàÿ âåëè÷èíà: s* » 90 êì/ñ. Åñëè áû â äåéñòâèòåëüíîñòè s* áûëî òàêèì, òî çâåçäû èç öåíòðàëüíûõ îáëàñòåé Ãàëàêòèêè äîñòèãàëè áû îêðåñòíîñòè Ñîëíöà. Íî òàêèõ çâåçä â ñêîëüêî-íèáóäü çàìåòíîì êîëè÷åñòâå â ãàëàêòè÷åñêîì äèñêå íåò. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî âáëèçè öåíòðà sR < s* è, ñëåäîâàòåëüíî, ýòà îáëàñòü ëîêàëüíî íåóñòîé÷èâà.  òî æå âðåìÿ ñîëíå÷íàÿ îêðåñòíîñòü, ïî-âèäèìîìó, ëîêàëüíî óñòîé÷èâà. Îäíîâðåìåííîå ñîñóùåñòâîâàíèå íåóñòîé÷èâûõ è óñòîé÷èâûõ îáëàñòåé äèñêà ìîæåò ïðèâåñòè
112
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
ê ñòàöèîíàðíîé âîëíå ïëîòíîñòè (ãèïîòåçà î êâàçèñòàöèîíàðíîñòè ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû).  ñèñòåìå êîîðäèíàò, âðàùàþùåéñÿ âìåñòå ñî ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðîé, êàðòèíà ïîääåðæàíèÿ ñïèðàëüíîãî óçîðà âûãëÿäèò ñëåäóþùèì îáðàçîì. Âíà÷àëå â ñïèðàëè ïîÿâëÿåòñÿ âîçìóùåíèå ïëîòíîñòè, îíî èçìåíÿåò ðåãóëÿðíóþ ãðàâèòàöèîííóþ ñèëó, êîòîðàÿ âîçìóùàåò çâåçäíûå îðáèòû, íàïðàâëÿÿ èõ ê ñïèðàëè è òåì ñàìûì ïîääåðæèâàÿ èçáûòîê ïëîòíîñòè â âåòâè. Ïîñêîëüêó ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà âðàùàåòñÿ îòíîñèòåëüíî ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà, â êàæäûé ìîìåíò âðåìåíè åå áóäóò îáðàçîâûâàòü ðàçíûå çâåçäû. Ïîýòîìó ñî ñòîðîíû áóäåò êàçàòüñÿ, ÷òî ïî äèñêó ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ âîëíà ïëîòíîñòè. Ïðèìåðíî òàêàÿ æå êàðòèíà áóäåò è â ñëó÷àå ãàçîâîãî äèñêà. Âîëíîâàÿ òåîðèÿ ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû ðàçâèâàëàñü â áîëüøîì ÷èñëå ðàáîò Ëèíÿ è åãî ñîòðóäíèêîâ, à òàêæå À. Êàëüíàéñà (Àâñòðàëèÿ), Ã. Êîíòîïóëîñà è äð.  íàøåé ñòðàíå ðàçëè÷íûå âàðèàíòû òåîðèè ðàçðàáàòûâàëèñü ñíà÷àëà â øêîëå Ë. Ñ. Ìàðî÷íèêà (À. À. Ñó÷êîâ, Ì. Í. Ìàêñóìîâ, Þ. Í. Ìèøóðîâ, Â. È. Êîð÷àãèí è äð.), à çàòåì À. Ì. Ôðèäìàíîì, Â. Ë. Ïîëÿ÷åíêî, À. Ã. Ìîðîçîâûì. Ðàññêàçàòü çäåñü äàæå îá îñíîâíûõ èäåÿõ âñåõ ýòèõ ðàáîò íåâîçìîæíî, ïîýòîìó îòìåòèì ëèøü íåñêîëüêî ïðèíöèïèàëüíûõ âîïðîñîâ. Ëèíü, ïðè ïîääåðæêå òàêèõ âåäóùèõ àñòðîíîìîâ, êàê ß. Îîðò, Á. Áîê, Á. Ñòð¸ìãðåí, Ë. Âîëüòüåð, ñ ñàìîãî íà÷àëà îòêàçàëñÿ îò òðóäíîé çàäà÷è ðàçðàáîòêè ñòðîãîé ìàòåìàòè÷åñêè ïîñëåäîâàòåëüíîé òåîðèè è îñíîâíûå óñèëèÿ íàïðàâèë íà ïîñòðîåíèå ïîëóýìïèðè÷åñêîé ìîäåëè ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû, êîòîðóþ ìîæíî áûëî áû ñîïîñòàâèòü ñ äàííûìè íàáëþäåíèé. Ñâîåé ïåðâîé öåëüþ îí ïîñòàâèë ïðîäåìîíñòðèðîâàòü âîçìîæíîñòü ñóùåñòâîâàíèÿ êâàçèñòàöèîíàðíûõ ñïèðàëüíûõ âåòâåé, îòîäâèãàÿ íà âòîðîé ïëàí âîïðîñû, ñâÿçàííûå ñ äèíàìè÷åñêèìè ìåõàíèçìàìè íåóñòîé÷èâîñòè. È òàêîé ïîäõîä óâåí÷àëñÿ óñïåõîì! Òàê, òåîðèÿ ïðåäñêàçûâàëà êîëåáàíèÿ ñêîðîñòè ãàçà â âåòâÿõ, ñîãëàñîâàííûå ïî äëèíàì âîëí è ôàçàì ñ êîëåáàíèÿìè ïëîòíîñòè. Èìåííî òàêèå êîëåáàíèÿ óäàëîñü îáíàðóæèòü, èçìåðÿÿ ïîëå ñêîðîñòåé ãàçà â ãàëàêòèêàõ. Âåòâè ìîãóò áûòü êàê ðàñêðó÷èâàþùèìèñÿ, òàê è çàêðó÷èâàþùèìèñÿ. Ïîñëåäóþùåå ðàçâèòèå òåîðèè ïîêàçàëî, ÷òî ïðåäïî÷òåíèå ñëåäóåò îòäàâàòü çàêðó÷èâàþùåìóñÿ ñïèðàëüíîìó óçîðó, â ñîãëàñèè ñ íàáëþäåíèÿìè.  òî æå âðåìÿ ñ ñàìîãî íà÷àëà òåîðèÿ Ëèíÿ è Øó ñòîëêíóëàñü ñ ñåðüåçíûìè çàòðóäíåíèÿìè.  1972 ã. èõ ñóììèðîâàë Â. À. Àíòîíîâ â äîêëàäå «Î ïðèíöèïèàëüíûõ çàòðóäíåíèÿõ âîëíîâîé òåîðèè ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû». Îí îáðàùàë âíèìàíèå, â ÷àñòíîñòè, íà ñëåäóþùåå.
3.16. Î ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðå ãàëàêòèê
113
 1967 ã. Ä. Ëèíäåí-Áåëë è Äæ. Îñòðàéêåð äîêàçàëè «àíòèñïèðàëüíóþ òåîðåìó», ñîãëàñíî êîòîðîé íåâîçìîæíà ñïèðàëüíàÿ ôîðìà òàê íàçûâàåìûõ íåéòðàëüíûõ êîëåáàíèé êàê çâåçäíûõ, òàê è ãàçîâûõ (íî áåçäèññèïàòèâíûõ) ñèñòåì.  ñóùíîñòè, ýòà òåîðåìà ÿâëÿåòñÿ ñëåäñòâèåì óïîìèíàâøåãîñÿ âûøå ïðèíöèïà ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííóé ñèììåòðèè. Äåéñòâèòåëüíî, îáðàòèì íàïðàâëåíèå âðåìåíè è îäíîâðåìåííî ïîâåðíåì âñå äâèæåíèÿ â ýêâàòîðèàëüíîé ïëîñêîñòè â îáðàòíóþ ñòîðîíó. Òîãäà ìû ïðèäåì ê ñîñòîÿíèþ, â êîòîðîì íà òàêîé æå ñòàöèîíàðíûé ôîí (âêëþ÷àÿ íàïðàâëåíèå âðàùåíèÿ) íàëîæåíî âîçìóùåíèå ñ ïðîòèâîïîëîæíûì íàïðàâëåíèåì çàêðó÷èâàíèÿ ñïèðàëåé. ×àñòîòû êîëåáàíèé â èñõîäíîì è ïðåîáðàçîâàííîì ñîñòîÿíèÿõ äîëæíû ñîâïàäàòü, è íåò îñíîâàíèé îòäàâàòü ïðåäïî÷òåíèå îäíîìó èç íèõ. Ñîîòâåòñòâóþùèå ðåøåíèÿ ëèíåàðèçîâàííûõ óðàâíåíèé äëÿ êîëåáàíèé áóäóò àíòèñïèðàëüíûìè. Íî ýòà òåîðåìà ðàáîòàåò íå âñåãäà (îíà íåñïðàâåäëèâà, åñëè åñòü òàê íàçûâàåìûå ðåçîíàíñíûå çâåçäû, äëÿ êîòîðûõ ÷àñòîòû îðáèòàëüíûõ êîëåáàíèé íàõîäÿòñÿ â ðåçîíàíñå ñ âîëíàìè). Åñëè ñ÷èòàòü, êàê ýòî ïîäðàçóìåâàë Ëèíü, ÷òî íåóñòîé÷èâîñòü, ïðèâîäÿùàÿ ê âîçíèêíîâåíèþ âåòâåé, ÿâëÿåòñÿ ëîêàëüíîé, òî ïîÿâëÿåòñÿ òðóäíàÿ ïðîáëåìà ñèíõðîíèçàöèè êîëåáàíèé â ðàçíûõ ÷àñòÿõ ðåàëüíîé ñèñòåìû. Äðóãàÿ ñòîðîíà òîé æå ïðîáëåìû — âûáîð åäèíñòâåííîé äëèíû âîëíû èç ìíîæåñòâà âîçìîæíûõ. Ïî-âèäèìîìó, â ðàìêàõ ëèíåéíîé òåîðèè íåâîçìîæíî ïîëó÷èòü óäîâëåòâîðèòåëüíûå îòâåòû íà ýòè âîïðîñû.  1970–1980-å ãã. À. Ì. Ôðèäìàí è Ì. Ã. Àáðàìÿí (Åðåâàíñêèé óíèâåðñèòåò) ðàçâèâàëè òåîðèþ ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû êàê ñîëèòîíîâ, ò. å. íåëèíåéíûõ óåäèíåííûõ âîëí. Ê ñîæàëåíèþ, äàëüíåéøåãî ðàçâèòèÿ ýòî íàïðàâëåíèå íå ïîëó÷èëo. Âñÿêèå âîëíû èíòåðôåðèðóþò. Îäíàêî íåò íàáëþäàòåëüíûõ ñâèäåòåëüñòâ èíòåðôåðåíöèè ñïèðàëüíûõ âåòâåé, êàêóþ ìîæíî áûëî áû îæèäàòü äëÿ âçàèìîäåéñòâóþùèõ ãàëàêòèê. Âàæíûé ðåçóëüòàò ïîëó÷èë â 1969 ã. À. Òîîìðå. Îí íàøåë, ÷òî âîëíû ñïèðàëüíîé ôîðìû ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ â ðàäèàëüíîì íàïðàâëåíèè ñ äîâîëüíî áîëüøîé ñêîðîñòüþ, ò. å. ïàêåò èç ñïèðàëüíûõ âîëí ñíîñèòñÿ, è â êîíöå êîíöîâ ñïèðàëüíûå âîëíû äîëæíû èñ÷åçíóòü. Ïîýòîìó íåîáõîäèì ãåíåðàòîð ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû. Òàêèì îáðàçîì, ôàêòè÷åñêè ìû âåðíóëèñü ê ïðîáëåìå, îò êîòîðîé ïûòàëèñü óéòè, âûäâèãàÿ êîíöåïöèþ ñïèðàëåé êàê âîëí ïëîòíîñòè. Áûëî ïðåäëîæåíî íåñêîëüêî ìåõàíèçìîâ ãåíåðàöèè ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû. Íàèáîëåå åñòåñòâåííîé êàæåòñÿ ïîääåðæêà êîëåáàíèé äèñêà âðàùàþùèìñÿ áàðîì. Ïðîòèâîïîëîæíûì ÿâëÿåòñÿ âîçáóæäåíèå âîëí
114
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä
ïëîòíîñòè ãàëàêòèêàìè-ñïóòíèêàìè èëè áëèçêî ïðîõîäÿùèìè ñîñåäÿìè. À. Ì. Ôðèäìàí ïðåäïîëîæèë, ÷òî îñíîâíóþ ðîëü â âîçíèêíîâåíèè âåòâåé èãðàþò ãèäðîäèíàìè÷åñêèå (íå ãðàâèòàöèîííûå) íåóñòîé÷èâîñòè â ãàçîâîì äèñêå ãàëàêòèêè. Íàèáîëåå ïîäðîáíî îí è À. Ã. Ìîðîçîâ ðàññìàòðèâàëè íåóñòîé÷èâîñòü Êåëüâèíà—Ãåëüìãîëüöà, êîòîðàÿ âîçìîæíà ïðè ðåçêèõ ïåðåïàäàõ â õîäå êðèâîé âðàùåíèÿ, ÷àñòî íàáëþäàåìûõ â öåíòðàëüíûõ ÷àñòÿõ ãàëàêòèê. Òîãäà ïåðâè÷íûìè ÿâëÿþòñÿ ñïèðàëüíûå âåòâè â ãàçå, à âîëíû ïëîòíîñòè â çâåçäíîì äèñêå — ýòî âòîðè÷íîå ÿâëåíèå. Ìåæäó ïðî÷èì, Ì. Í. Ìàêñóìîâ ðàçâèâàë ïðîòèâîïîëîæíóþ êîíöåïöèþ, ïî êîòîðîé ñíà÷àëà ïîÿâëÿþòñÿ ñïèðàëüíûå âîëíû â ñòàðîì çâåçäíîì äèñêå, è óæå îíè èíäóöèðóþò ðàçâèòèå ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû â ãàçîâîì äèñêå, îêàçûâàþùåéñÿ áîëåå çàìåòíîé äëÿ íàáëþäàòåëÿ. Ïðåäëàãàëèñü è áîëåå ñëîæíûå ìåõàíèçìû ãåíåðàöèè ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû. Ñïåöèôè÷åñêèìè ñïèðàëüíûìè âåòâÿìè ÿâëÿþòñÿ «ìîñòû», ñîåäèíÿþùèå âçàèìîäåéñòâóþùèå ãàëàêòèêè. Åùå â 1950-å ãã. òàêèå êðóïíûå àñòðîíîìû, êàê Â. Áààäå è Ô. Öâèêêè, âûñêàçàëè åñòåñòâåííóþ ìûñëü, ÷òî «ìîñòû» èìåþò ïðèëèâíîå ïðîèñõîæäåíèå. Íî êîãäà â 1960-å ãã. ñíà÷àëà â Øâåöèè è Ãåðìàíèè, à çàòåì è â ÑÑÑÐ âûïîëíÿëèñü ïåðâûå ðàñ÷åòû ïðèëèâíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ãàëàêòèê (íà îñíîâå ïî íåîáõîäèìîñòè î÷åíü ãðóáûõ ñõåì), íåêîòîðûå èçâåñòíûå ñïåöèàëèñòû îñóäèëè èõ êàê «ìåõàíèñòè÷åñêèå», òÿíóùèå èññëåäîâàíèå ãàëàêòèê íàçàä.  1972 ã. À. Òîîìðå è åãî áðàò Þ. Òîîìðå (îáëàäàâøèé ëó÷øèìè âîçìîæíîñòÿìè äëÿ ÷èñëåííûõ ðàñ÷åòîâ) âûïîëíèëè îáñòîÿòåëüíîå èññëåäîâàíèå âçàèìîäåéñòâèÿ ãàëàêòèê.  ðàìêàõ îãðàíè÷åííîé çàäà÷è òðåõ òåë áðàòüÿ Òîîìðå ðàññìîòðåëè òèïè÷íûå ñëó÷àè âçàèìîäåéñòâèÿ. Ñ òåõ ïîð ïðåäñòàâëåíèÿ î ïðèëèâíîé ïðèðîäå «ìîñòîâ» è «õâîñòîâ» ñòàëè ïðàêòè÷åñêè îáùåïðèíÿòûìè è ïîäòâåðæäàëèñü ìíîãî÷èñëåííûìè ðàñ÷åòàìè íà îñíîâå çàäà÷è ìíîãèõ òåë. Ïðèëèâíûå âçàèìîäåéñòâèÿ, âûáðîñû è ñëèÿíèÿ ãàëàêòèê ÿâëÿþòñÿ âàæíåéøèì ôàêòîðîì èõ äèíàìè÷åñêîé ýâîëþöèè. Òåîðèþ ýòèõ ïðîöåññîâ åùå ïðåäñòîèò ðàçðàáîòàòü.
Ëèòåðàòóðà Àãåêÿí Ò. À. Çâåçäíàÿ Âñåëåííàÿ. 2-å èçä. Ì.: Ãîñòåõèçäàò, 1955 (ãë. VI). Âîùèííèêîâ Í. Â., Îñèïêîâ Ë. Ï. Ãàëàêòè÷åñêàÿ àñòðîíîìèÿ // Èñòîðèÿ àñòðîíîìèè â Ðîññèè è ÑÑÑÐ / ðåä. Â. Â. Ñîáîëåâ. Ì.: ßíóñ-Ê, 1999. Ñ. 278–340. Äåìèí Â. Ã. Ñóäüáà Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Ïîïóëÿðíûå î÷åðêè ïî íåáåñíîé ìåõàíèêå. Ì.: Íàóêà, 1975 (§ 27, 28, 32).
3.16. Î ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðå ãàëàêòèê
115
Êèíã À. Ð. Ââåäåíèå â êëàññè÷åñêóþ çâåçäíóþ äèíàìèêó. Ì.: Åäèòîðèàë ÓÐÑÑ, 2002. Îãîðîäíèêîâ Ê. Ô. Äèíàìèêà çâåçäíûõ ñèñòåì. Ì.: Ôèçìàòãèç, 1958. Îãîðîäíèêîâ Ê. Ô. Çàãàäêè êîñìîñà (ñòðîåíèå çâåçäíîãî ìèðà). Ì.: Âîåíèçäàò, 1963. Îãîðîäíèêîâ Ê. Ô., Îñèïêîâ Ë. Ï. Çâåçäíàÿ àñòðîíîìèÿ // Î÷åðêè èñòîðèè îòå÷åñòâåííîé àñòðîíîìèè. Ñ äðåâíåéøèõ âðåìåí äî íà÷àëà XX â. / ðåä. È. À. Êëèìèøèí. Êèåâ: Íàóêîâà äóìêà, 1992. Ñ. 386–406. Îðëîâ Â. Â., Ðóáèíîâ À. Â. Çàäà÷à N òåë â çâåçäíîé äèíàìèêå. ÑÏá: ÑÏáÃÓ, ÂÂÌ, 2008. Îñèïêîâ Ë. Ï. Óíèâåðñàëüíûå ïîíÿòèÿ, õàðàêòåðèçóþùèå ðàçâèòèå ñòàòèñòè÷åñêèõ ñèñòåì, íà ïðèìåðå çâåçäíîé äèíàìèêè // Ðàçâèòèå êëàññè÷åñêèõ ìåòîäîâ èññëåäîâàíèÿ â åñòåñòâîçíàíèè («Ïðîáëåìû èññëåäîâàíèÿ Âñåëåííîé», âûï. 17) / ðåä. Â. Â. ×åøåâ. ÑÏá.: ÍÈÈ ðàäèîýëåêòðîííûõ êîìïëåêñîâ ÐÀÍ, 1994. Ñ. 465–470. Îñèïêîâ Ë. Ï. Ñóùåñòâóåò ëè ïàðàäîêñ ðåëàêñàöèè â çâåçäíûõ ñèñòåìàõ? // Óëóãáåêîâñêèå ÷òåíèÿ. Ò. 1 / ðåä. Ñ. Í. Íóðèòäèíîâ. Òàøêåíò, 2004. Ñ. 46–56. Îñèïêîâ Ë. Ï. Ñòàòèñòè÷åñêàÿ ìåõàíèêà çâåçäíûõ ñèñòåì: îò Àìáàðöóìÿíà è äàëåå // Àñòðîôèçèêà. 2008. Ò. 51, ¹ 4. C. 505–522. Ïàøà È. È. Òåîðèè ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû ãàëàêòèê â 1960-å ãîäû. I // Èñòîðèêîàñòðîíîìè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ. 2002. Âûï. 27. Ñ. 102–156; II // Èñòîðèêî-àñòðîíîìè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ. 2003. Âûï. 29. Ñ. 8–77. Ïóàíêàðå À. Ìëå÷íûé Ïóòü è òåîðèÿ ãàçîâ // Íàóêà è ìåòîä. ÑÏá.: Èçä-âî Í. Ï. Êàðáàñíèêîâà, 1910. Ñ. 209–223. Ðîëüôñ Ê. Ëåêöèè ïî òåîðèè âîëí ïëîòíîñòè. Ì.: Ìèð, 1980. Ñïèòöåð Ë. Äèíàìè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ øàðîâûõ ñêîïëåíèé. Ì.: Ìèð, 1990. Ñóðäèí Â. Ã. Äèíàìèêà çâåçäíûõ ñèñòåì. Ì.: ÌÖÍÌÎ, 2009. Ñóðäèí Â. Ã., ×àðèêîâ À. Â. Âëèÿíèå äèíàìè÷åñêîãî òðåíèÿ íà äâèæåíèå øàðîâûõ ñêîïëåíèé â Ãàëàêòèêå // Àñòðîí. æóðí. 1977. Ò. 54. Ñ. 24–27. Øàãèí À. Ô. Î ñîáñòâåííîì äâèæåíèè çâåçä // Æóðí. Ì-âà íàðîä. ïðîñâåùåíèÿ. 1838. ×. XVIII, ¹ 4, îòä. 2. Ñ. 446–457.
4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè
Ãëàâà
ÃÀËÀÊÒÈÊÀ È ÅÅ ÎÊÐÅÑÒÍÎÑÒÈ Ä. Ç. Âèáå, Â. Ã. Ñóðäèí
ò îáùèõ ïðîáëåì çâåçäíîé äèíàìèêè ïîðà ïåðåéòè ê çíàêîìñòâó ñ êîíêðåòíîé çâåçäíîé ñèñòåìîé — ñ íàøåé ðîäíîé ãàëàêòèêîé. Çíàíèÿ àñòðîíîìîâ î íåé ÷ðåçâû÷àéíî íåîäíîðîäíû: îêðåñòíîñòè Ñîëíöà èçó÷åíû âåñüìà äåòàëüíî, çàòî î íåêîòîðûõ óäàëåííûõ îáëàñòÿõ Ãàëàêòèêè ïî÷òè íè÷åãî íå èçâåñòíî. Ìû äàæå â òî÷íîñòè íå çíàåì, êàê âûãëÿäèò íàøà çâåçäíàÿ ñèñòåìà.  ÷åì æå ïðè÷èíû ýòîãî? Èõ êàê ìèíèìóì òðè: äâå ñâÿçàíû ñ òåì, ÷òî ìû íàõîäèìñÿ âíóòðè Ãàëàêòèêè, à òðåòüÿ — ñ òåì, ÷òî ìû ê òîìó æå íàõîäèìñÿ â åå ñïåöèôè÷åñêîé îáëàñòè. Âîò ýòè ïðè÷èíû. 1. Ãàëàêòèêà âåçäå âîêðóã íàñ, ñî âñåõ ñòîðîí. Äëÿ åå èçó÷åíèÿ àñòðîíîìû âûíóæäåíû èññëåäîâàòü âåñü íåáîñâîä — âñå 4ð ñòåðàäèàí, èëè 41 253 êâàäðàòíûõ ãðàäóñà. À ýòî î÷åíü ìíîãî. Íàïðèìåð, åñëè èñïîëüçîâàòü îáçîðíûé òåëåñêîï ñ áîëüøèì ïîëåì çðåíèÿ, òàêîé êàê êàìåðà Øìèäòà Ïàëîìàðñêîé îáñåðâàòîðèè (äèàìåòð ïîëÿ 6°), òî äëÿ îäíîêðàòíîãî ôîòîãðàôèðîâàíèÿ âñåãî íåáà ïîíàäîáèòñÿ ñäåëàòü íå ìåíåå 1200 ýêñïîçèöèé. Åñëè æå ìû çàõîòèì èññëåäîâàòü ïðîñòðàíñòâî ïîãëóáæå, èñïîëüçóÿ äëÿ ýòîãî êðóïíûé ðåôëåêòîð (äèàìåòð ïîëÿ îêîëî 10¢), òî ïðèäåòñÿ ñäåëàòü îêîëî 1,5 ìëí ýêñïîçèöèé, ÷òî âîîáùå âûõîäèò çà ïðåäåëû ðàçóìíîãî.  òî æå âðåìÿ äëÿ ôîòîãðàôèðîâàíèÿ âíåøíèõ ãàëàêòèê, êàê ïðàâèëî, òðåáóåòñÿ îäíà ýêñïîçèöèÿ. Äàæå áëèæàéøèå ñïèðàëüíûå ñèñòåìû — Ì31 è Ì33 — çàíèìàþò íà íåáå íå ñëèøêîì áîëüøîé òåëåñíûé óãîë — íå áîëåå 3 êâàäðàòíûõ ãðàäóñîâ, ÷òî ïîçâîëÿåò ôîòîãðàôèðîâàòü èõ çà âåñüìà êîðîòêîå âðåìÿ. 2. Ìû íàõîäèìñÿ âíóòðè Ãàëàêòèêè, ïîýòîìó î÷åíü âåëèêà ðàçíèöà â ðàññòîÿíèÿõ äî åå áëèæàéøèõ è íàèáîëåå óäàëåííûõ îáúåêòîâ: ðàññòîÿíèå îò Ñîëíöà äî ñîñåäíèõ çâåçä ~1 ïê, à äî êðàÿ Ãàëàêòèêè ~100 000 ïê. Ïîýòîìó ïðèõîäèòñÿ ïðèìåíÿòü ðàçíûå èíñòðóìåíòû è ðàçíûå ìåòîäû äëÿ èçó÷åíèÿ ñõîäíûõ îáúåêòîâ Ãàëàêòèêè, ðàñïîëîæåííûõ íà ðàçíûõ ðàññòîÿíèÿõ îò íàñ. ×òîáû ñðàâíèâàòü õàðàêòåðèñòèêè ýòèõ îáúåêòîâ, òðåáóåòñÿ «ïðèâåñòè» èçìåðåíèÿ ê îäíîìó ñòàí-
Î
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè
117
Ðèñ. 4.1. Ïëîùàäü ïîëÿ çðåíèÿ îáçîðíîãî òåëåñêîïà â 1000 ðàç áîëüøå, ÷åì ó êðóïíîãî ðåôëåêòîðà ÕÕ â. Íî ïðè ýòîì ïðîíèöàþùàÿ ñïîñîáíîñòü îáçîðíîãî òåëåñêîïà çíà÷èòåëüíî íèæå.
äàðòíîìó ðàññòîÿíèþ, à çíà÷èò, íåîáõîäèìî îïðåäåëèòü óäàëåííîñòü êàæäîãî èç îáúåêòîâ, ÷òî äàëåêî íå âñåãäà óäàåòñÿ ñäåëàòü ñ ïðèåìëåìîé òî÷íîñòüþ. 3. Ìû íàõîäèìñÿ íå ïðîñòî âíóòðè Ãàëàêòèêè, à âíóòðè ïëîòíîé ýêâàòîðèàëüíîé ÷àñòè åå ãàçîâî-ïûëåâîãî äèñêà. Ìåæçâåçäíàÿ ïûëü î÷åíü ñèëüíî ïîãëîùàåò ñâåò äàëåêèõ îáúåêòîâ, íàáëþäàåìûõ áëèç ãàëàêòè÷åñêîãî ýêâàòîðà (à òàêèõ áîëüøèíñòâî â íàøåé ïëîñêîé ñèñòåìå!). Íàïðèìåð, â íàïðàâëåíèè íà öåíòð Ãàëàêòèêè ìåæçâåçäíîå ïîãëîùåíèå ñâåòà ñîñòàâëÿåò îêîëî 30m; èíûìè ñëîâàìè, è áåç òîãî ñëàáûé ïîòîê ñâåòà îò äàëåêèõ îáúåêòîâ îñëàáëÿåòñÿ èç-çà ïîãëîùåíèÿ åùå â 1012 ðàç! Ïîýòîìó íàèáîëåå èíôîðìàòèâíûå, îïòè÷åñêèå, ìåòîäû èçó÷åíèÿ çâåçä è ãîðÿ÷èõ òóìàííîñòåé ÷àñòî áåñïîìîùíû â íàøåé ãàëàêòèêå, õîòÿ îòëè÷íî ðàáîòàþò ïðè èçó÷åíèè äðóãèõ ãàëàêòèê. Ïî óêàçàííûì ïðè÷èíàì äî ñèõ ïîð íå ñîçäàí äîñòàòî÷íî ïîëíûé ïîðòðåò íàøåé ãàëàêòèêè; ïîñòîÿííî âíîñÿòñÿ óòî÷íåíèÿ â åå ìîðôîëîãè÷åñêèé òèï (äàæå òî, ÷òî íàøà ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà èìååò áàð, âûÿñíèëîñü ñðàâíèòåëüíî íåäàâíî); òðóäíî ñîñòàâëÿòü îäíîðîäíûå âûáîðêè îáúåêòîâ, îñîáåííî ðåäêèõ, ðàçáðîñàííûõ ïî âñåìó îáúåìó Ãàëàêòèêè. Ìåæçâåçäíîå ïîãëîùåíèå ñâåòà ÷ðåçâû÷àéíî çàòðóäíÿåò
118
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè
èçó÷åíèå ìîëîäûõ ìàññèâíûõ çâåçä: äàæå âñïûøêè ñâåðõíîâûõ íåðåäêî îñòàþòñÿ íåçàìå÷åííûìè! Ñ äðóãîé ñòîðîíû, òîëüêî â íàøåé ãàëàêòèêå óäàåòñÿ èçó÷àòü îáúåêòû íèçêîé ñâåòèìîñòè: çâåçäû-êàðëèêè (êðàñíûå è áåëûå), êîðè÷íåâûå êàðëèêè, ýêçîïëàíåòû… Òîëüêî ó íåêîòîðûõ áëèæàéøèõ çâåçä íàì óäàåòñÿ ïðÿìî èçìåðèòü äèàìåòð è ôîðìó è äàæå ðàçãëÿäåòü äåòàëè ïîâåðõíîñòè. Ðàçóìååòñÿ, ïðàêòè÷åñêè îäèíàêîâàÿ óäàëåííîñòü îò íàñ âñåõ ÷àñòåé êàæäîé âíåøíåé ãàëàêòèêè ïîçâîëÿåò ñîçäàâàòü îäíîðîäíûå âûáîðêè åå îáúåêòîâ. Íî ó ýòîãî ïðåèìóùåñòâà åñòü è îáðàòíàÿ ñòîðîíà: â òî âðåìÿ êàê ñòðîåíèå âíåøíèõ ãàëàêòèê ìû çíàåì ëèøü â ïðîåêöèè íà íåáåñíóþ ñôåðó, ñâîþ ãàëàêòèêó ìû èçó÷àåì â 3D. Òîëüêî â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà ìû èìååì âîçìîæíîñòü èçìåðÿòü ðàññòîÿíèÿ äî çâåçä ïðÿìûì ìåòîäîì òðèãîíîìåòðè÷åñêèõ ïàðàëëàêñîâ, çàêëàäûâàÿ ýòèì íàäåæíûé ôóíäàìåíò äëÿ øêàëû êîñìè÷åñêèõ ðàññòîÿíèé. Òàê ÷òî àñòðîíîìû íå äîëæíû ñåòîâàòü íà ñâîå ïîëîæåíèå â ïðîñòðàíñòâå, à ñêîðåå äîëæíû ðàäîâàòüñÿ òîìó, ÷òî íàøà ïëàíåòíàÿ ñèñòåìà íå ïëûâåò â ìåæãàëàêòè÷åñêîé ïóñòîòå. Âîêðóã íàñ, ðÿäîì ñ íàìè ìíîãî èíòåðåñíûõ îáúåêòîâ, äîñòîéíûõ ïðèñòàëüíîãî èçó÷åíèÿ, è ìû óæå íåìàëî î íèõ óçíàëè.
4.1. Ãàëàêòè÷åñêîå êðàåâåäåíèå Êàê èçâåñòíî, êðàåâåäåíèå — ýòî âñåñòîðîííåå èçó÷åíèå îïðåäåëåííîé ÷àñòè ñòðàíû, ãîðîäà èëè äåðåâíè ìåñòíûì íàñåëåíèåì, äëÿ êîòîðîãî ýòà òåððèòîðèÿ ñ÷èòàåòñÿ ðîäíûì êðàåì. Íî ÷òî êàæäûé èç íàñ ñ÷èòàåò ñâîèì ðîäíûì êðàåì? È äàëåêî ëè ïðîñòèðàþòñÿ ãðàíèöû «ðîäíîãî êðàÿ»? Òåððèòîðèÿ, êîòîðóþ èçó÷àþò êðàåâåäû, îáû÷íî íåâåëèêà, è ýòî âïîëíå ëîãè÷íî: ïîäðîáíî èçó÷àòü èìååò ñìûñë ëèøü òå ïðîñòðàíñòâà, êîòîðûå íåïîñðåäñòâåííî îêðóæàþò ÷åëîâåêà è âëèÿþò íà åãî ïîâñåäíåâíóþ æèçíü.  ýòîì îòíîøåíèè ñî÷åòàíèå ñëîâ «Ãàëàêòèêà» è «êðàåâåäåíèå» ìîæåò ïîêàçàòüñÿ ñòðàííûì: êîñìîñ òàê äàëåê îò íàñ, çà÷åì òðàòèòü âðåìÿ íà èçó÷åíèå òîãî, ÷òî íèêàê íå çàòðàãèâàåò íàøè ñóäüáû? Òåì íå ìåíåå íàèáîëåå ïûòëèâûå ïðåäñòàâèòåëè ðîäà ÷åëîâå÷åñêîãî ñíîâà è ñíîâà ïûòàþòñÿ ïîñòè÷ü óñòðîéñòâî Âñåëåííîé è ïîíÿòü, òàê ëè óæå íåçàâèñèìî îò íåå ïðîõîäèò íàøà æèçíü. Ïëîäû èõ óñèëèé èíîãäà ïðîðûâàþòñÿ ê æèòåëÿì Çåìëè ÷åðåç ñðåäñòâà ìàññîâîé èíôîðìàöèè — â ñèëüíî ïðåóâåëè÷åííîì, à òî è ñîâåðøåííî èñêàæåííîì âèäå. Æóðíàëèñòû íåðåäêî ïîäõâàòûâàþò è ðàñïðîñòðàíÿþò ñëóõè î íåñóùåìñÿ íà Ñîëíå÷íóþ ñèñòåìó ñìåðòîíîñíîì ìåæçâåçäíîì îáëàêå, îá óæàñíîé ÷åðíîé äûðå, ãîòîâîé â áëè-
4.2. Íîâàÿ êîñìîãðàôèÿ
119
æàéøèå äíè ïîãëîòèòü Çåìëþ, î êîñìè÷åñêèõ ëó÷àõ, ñïîñîáíûõ ðàçðóøèòü íàøó àòìîñôåðó… Ïî÷òè êàæäîå èç ýòèõ ñîîáùåíèé èìååò â ñâîåé îñíîâå íàó÷íûå ôàêòû è ïî÷òè êàæäîå èñêàæàåò èõ äî íåóçíàâàåìîñòè. Ïîýòîìó âàæíî ðàçîáðàòüñÿ ñ òåì, êàêîå ìåñòî íà ñàìîì äåëå ìû çàíèìàåì â êîñìîñå è íàñêîëüêî äåéñòâèòåëüíî îïàñíî èëè ïîëåçíî äëÿ íàñ ñîïðèêîñíîâåíèå ñ Ãàëàêòèêîé. Ïåðâûå ïîïûòêè îñîçíàòü ìåñòî ÷åëîâåêà âî Âñåëåííîé, ïî ñóòè, ìàëî îòëè÷àëèñü îò êðàåâåäåíèÿ â ñîâðåìåííîì ñìûñëå ýòîãî ñëîâà. Îéêóìåíà îõâàòûâàëà íå áîëåå ÷åì ðîäíîé êðàé, òî åñòü ìåñòî, çàñåëåííîå òâîèì íàðîäîì. Çà ïðåäåëàìè ýòîé ìåñòíîñòè æèëà âñÿ÷åñêàÿ íå÷èñòü, íàïîäîáèå ëþäåé ñ ñîáà÷üèìè ãîëîâàìè, à åùå äàëüøå ðàñïîëàãàëñÿ êðàé Çåìëè, ïîä êîòîðûì ïðÿòàëèñü òå ñàìûå ñëîíû è ÷åðåïàõà.  ýïîõó ðàííèõ àñòðîíîìè÷åñêèõ íàáëþäåíèé ãðàíèöà Âñåëåííîé îòîäâèíóëàñü çà îðáèòó Ñàòóðíà, íî è òîãäà ìûñëü îá èçó÷åíèè íåáåñíîé òâåðäè è òîãî, ÷òî íàõîäèòñÿ çà íåé, ïîñåùàëà íåìíîãèå ïðîäâèíóòûå óìû.
4.2. Íîâàÿ êîñìîãðàôèÿ Èñòîðèÿ ñîõðàíèëà óïîìèíàíèÿ îá àíòè÷íûõ ìûñëèòåëÿõ, âûñêàçûâàâøèõ äîãàäêè î òîì, ÷òî Ñàòóðíîì Âñåëåííàÿ íå çàêàí÷èâàåòñÿ. Îäíàêî ýïîõà ïîäëèííîé «êîñìîãðàôèè» íà÷àëàñü â XVII â., êîãäà Ãàëèëåé ïðè ïîìîùè ñâîåãî ïðîñòåíüêîãî òåëåñêîïà äîêàçàë, ÷òî Ìëå÷íûé Ïóòü — íå äûìêà è íå ïîëîñà òóìàíà, à ñêîïèùå îãðîìíîãî êîëè÷åñòâà çâåçä. ×óòü áîëåå ñòîëåòèÿ ñïóñòÿ Òîìàñ Ðàéò è Èììàíóèë Êàíò ïðåäëîæèëè îáúÿñíåíèå ýòîìó îòêðûòèþ: Ìëå÷íûé Ïóòü, ïèñàëè îíè, — ýòî «ýêëèïòèêà äëÿ çâåçä», ò. å. ïðîåêöèÿ íà íåáîñâîä ãèãàíòñêîãî ïëîñêîãî çâåçäíîãî ñêîïëåíèÿ, â ñîñòàâ êîòîðîãî âõîäèò è Ñîëíöå. Ïåðâûì ïîäëèííî íàó÷íûì êàðòîãðàôîì äàëåêîãî êîñìîñà ñòàë âåëèêèé àñòðîíîì Âèëüÿì Ãåðøåëü (1738–1822), ïðèìåíèâøèé äëÿ èçó÷åíèÿ Ãàëàêòèêè ñîáñòâåííûé ìåòîä âûáîðî÷íûõ çâåçäíûõ ïîäñ÷åòîâ, êîòîðûé îí íàçâàë ìåòîäîì «çâåçäíûõ ÷åðïêîâ» (star gauges). Ïîíèìàÿ, ÷òî íåâîçìîæíî äåòàëüíî èññëåäîâàòü âñå íåáî (41 253 êâàäðàòíûõ ãðàäóñà — ýòî 210 òûñ. ëóííûõ äèñêîâ!) Ãåðøåëü ñ ïîìîùüþ ñâîåé ñåñòðû Êàðîëèíû ïðîèçâåë ïîäñ÷åòû çâåçä ðàçíîé ÿðêîñòè íà 683 íåáîëüøèõ ïëîùàäêàõ, ðàñïðåäåëåííûõ ïî íåáó. Äëÿ âèçóàëüíûõ íàáëþäåíèé (ôîòîãðàôèþ åùå íå èçîáðåëè) èñïîëüçîâàëñÿ «Áîëüøîé 20-ôóòîâûé ðåôëåêòîð» — íüþòîíîâñêèé òåëåñêîï ñ ãëàâíûì çåðêàëîì äèàìåòðîì îêîëî 19 äþéìîâ è äèàìåòðîì ïîëÿ çðåíèÿ 15¢. Ïî-âèäèìîìó, â íåãî áûëè âèäíû çâåçäû äî 14m, êîãäà íàáëþ-
120
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè
Ðèñ. 4.2. Êàðòà ìåðèäèîíàëüíîãî (ò. å. ïåðïåíäèêóëÿðíîãî ïëîñêîñòè ýêâàòîðà) ñå÷åíèÿ ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà, ïîñòðîåííàÿ Âèëüÿìîì Ãåðøåëåì íà îñíîâå «çâåçäíûõ ÷åðïêîâ». Çäåñü îíà ïîêàçàíà â íåãàòèâå. Ñîëíöå — æèðíàÿ òî÷êà — îêàçàëîñü ïî÷òè â öåíòðå çâåçäíîãî îñòðîâà.
äåíèÿ âåëèñü â ïðÿìîì ôîêóñå. Çàìåòèì, ÷òî íà âñåì íåáå ïðèìåðíî 16 ìëí çâåçä ÿð÷å 14m, ïîýòîìó ïîëíûé âèçóàëüíûé îáçîð íåáà íà òàêóþ ãëóáèíó ïðåäñòàâëÿåòñÿ ñîâåðøåííî íåìûñëèìîé çàäà÷åé.  ðåçóëüòàòå ñâîåãî âûáîðî÷íîãî îáñëåäîâàíèÿ íåáà Ãåðøåëü íàñ÷èòàë 117 600 çâåçä ÿð÷å 14m. Ïîçæå åãî ñûí Äæîí Ãåðøåëü çàâåðøèë ýòè ïîäñ÷åòû íà þæíîì íåáå. Ìåòîä Ãåðøåëÿ îêàçàëñÿ âïîëíå ðàáîòîñïîñîáíûì è ñëóæèë àñòðîíîìàì åùå äâà ñòîëåòèÿ. Ïðîèíñïåêòèðîâàâ íåáî ìíîãî÷èñëåííûìè «÷åðïêàìè», Ãåðøåëü ïîñòðîèë ïåðâóþ êàðòó Ãàëàêòèêè è îïóáëèêîâàë åå â 1785 ã. â ñòàòüå ïîä íàçâàíèåì «On the construction of the heavens» («Î ñòðîåíèè íåáåñ»). Ïðàâäà, ýòà êàðòà îêàçàëàñü íåòî÷íîé, ïîñêîëüêó ïðè åå ñîçäàíèè Âèëüÿì Ãåðøåëü èñõîäèë èç íå âïîëíå âåðíûõ ïðåäñòàâëåíèé. Îí ñ÷èòàë, ÷òî âñå çâåçäû èìåþò îäèíàêîâóþ ñâåòèìîñòü è ÷òî â ñâîé îãðîìíûé òåëåñêîï îí âèäèò âñå çâåçäû áåç èñêëþ÷åíèÿ, ïîýòîìó ÷åì ñëàáåå áëåñê çâåçäû, òåì äàëüøå îíà ðàñïîëîæåíà, à åñëè çâåçä â òåëåñêîï íå âèäíî, òî â äàííîì íàïðàâëåíèè èõ âîâñå íåò. Íà êàðòå Ãåðøåëÿ Ñîëíöå ðàçìåñòèëîñü áëèç öåíòðà çâåçäíîãî äèñêà. Ïðè÷èíà ïîíÿòíà: òåëåñêîï ïðè âèçóàëüíîì íàáëþäåíèè íå ïîçâîëÿë çàìåòèòü ñëèøêîì òóñêëûå çâåçäû, â îñîáåííîñòè òå, ÷åé áëåñê áûë ñóùåñòâåííî ñíèæåí èç-çà ìåæçâåçäíîãî ïîãëîùåíèÿ ñâåòà, î êîòîðîì â òå ãîäû âîîáùå íå çíàëè. Ïîýòîìó âçãëÿä Ãåðøåëÿ âî âñåõ íàïðàâëåíèÿõ âäîëü Ìëå÷íîãî Ïóòè ïðîíèêàë ïðèìåðíî íà îäèíàêîâóþ äèñòàíöèþ. Âïðî÷åì, íà êàðòå âèäíû è ìíîãî÷èñëåííûå «ôüîðäû», íàïðàâëåííûå îò Ñîëíöà íà íåïðîçðà÷íûå îáëàêà, çàñëîíèâøèå ëåæàùèå çà íèìè çâåçäû. Ñàìûé ãëóáîêèé ïðîâàë âèäåí ñëåâà — ýòî òåìíàÿ ïîëîñà, «Âèëêà Ìëå÷íîãî Ïóòè», èäóùàÿ îò Ëåáåäÿ ê Ñêîðïèîíó. Ñîëíöå, ïî Ãåðøåëþ, ðàñïîëîæåíî ïðèìåðíî â öåíòðå çâåçäíîãî «ïèðîãà», òîëùèíà êîòîðîãî ðàâíà 150 ñðåäíèì ðàññòîÿíèÿì ìåæäó
4.2. Íîâàÿ êîñìîãðàôèÿ
121
çâåçäàìè ïåðâîé âåëè÷èíû, à ïîïåðå÷íèê — 800 òàêèì ðàññòîÿíèÿì. Åñëè ïåðåâåñòè ýòè ÷èñëà â ïðèâû÷íûå äëÿ íàñ åäèíèöû (ñ ó÷åòîì ñîâðåìåííîé èíôîðìàöèè î ñðåäíåì ðàññòîÿíèè ìåæäó çâåçäàìè), òî ïîëó÷èòñÿ, ÷òî Ãàëàêòèêà èìååò äèàìåòð 1800 ïê è òîëùèíó 340 ïê. Ëþáîïûòíî, ÷òî îöåíêà òîëùèíû Ìëå÷íîãî Ïóòè ñ òåõ ïîð îñòàëàñü ïðèìåðíî òîé æå, à âîò ïîïåðå÷íèê ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà Ãåðøåëü ñèëüíî íåäîîöåíèë. Òåïåðü ìû çíàåì, ÷òî íàøà çâåçäíàÿ ñèñòåìà ïðîñòèðàåòñÿ íà ìíîãèå äåñÿòêè òûñÿ÷ ïàðñåêîâ, íî èç-çà ìåæçâåçäíîãî ïîãëîùåíèÿ ñâåòà äëÿ íàáëþäåíèé äîñòóïíû ñâåòèëà ëèøü â ñðàâíèòåëüíî íåáîëüøîé îêðåñòíîñòè Ñîëíöà (Ãåðøåëü äîãàäûâàëñÿ îá ýòîì, íî äîêàçàòåëüñòâ íå áûëî). Ôàêòè÷åñêè ìû âèäèì ëèøü êóñî÷åê çâåçäíîãî äèñêà: ïðè íàáëþäåíèè â ëþáîì íàïðàâëåíèè âäîëü ïëîñêîñòè Ãàëàêòèêè íàø âçãëÿä «çàñòðåâàåò â ïûëè» óæå íà ðàññòîÿíèè íåìíîãèì áîëåå 1 êïê. Èìåííî ïîýòîìó íà êàðòå Ãåðøåëÿ Ñîëíöå îêàçàëîñü áëèçêî ê öåíòðó Ãàëàêòèêè. Ê ñ÷àñòüþ, òîëùèíà ãàçîâî-ïûëåâîãî äèñêà ìåíüøå, ÷åì 1 êïê, òîëüêî ïîýòîìó ìû âèäèì äàëåêèå îáëàñòè Âñåëåííîé, íî ëèøü âíå ïîëîñû Ìëå÷íîãî Ïóòè. Ìåòîä Ãåðøåëÿ îêàçàëñÿ íàñòîëüêî ïîëåçíûì, ÷òî ïðàêòè÷åñêè òó æå ðàáîòó â ñåðåäèíå XIX â. ïðåäïðèíÿë ðîññèéñêèé àñòðîíîì Âàñèëèé ßêîâëåâè÷ Ñòðóâå (1793–1864), à â íà÷àëå ÕÕ â. — ãîëëàíäñêèé àñòðîíîì ßêîáóñ Êàïòåéí (1851–1922). Ðàçóìååòñÿ, êàæäûé èç íèõ èñïîëüçîâàë âñå äîñòèæåíèÿ ñîâðåìåííîé åìó àñòðîíîìèè: Ñòðóâå óæå çíàë ïàðàëëàêñû áëèæàéøèõ çâåçä, à Êàïòåéí ïðèìåíÿë ôîòîãðàôè÷åñêóþ òåõíèêó.  îòëè÷èå îò Ãåðøåëÿ, Ñòðóâå ïîäñ÷èòûâàë êîëè÷åñòâî çâåçä ðàçíîãî áëåñêà, ñòðåìÿñü âûÿñíèòü èõ ðàñïðåäåëåíèå â ïðîñòðàíñòâå. Åñëè çâåçäû ðàñïðåäåëåíû â ïðîñòðàíñòâå îäíîðîäíî, òî îòíîøåíèå êîëè÷åñòâà çâåçä äî äâóõ ïîñëåäîâàòåëüíûõ çíà÷åíèé çâåçäíîé âåëè÷èíû (íàïðèìåð, äî +6m è +5m) äîëæíî áûòü ïî÷òè â òî÷íîñòè ðàâíî 4. Äîêàçàòü ýòî ëåãêî: ïðè óäàëåíèè çâåçäû â 10 ðàç ïîòîê ñâåòà îò íåå óìåíüøàåòñÿ â 100 ðàç, èëè íà 5 çâåçäíûõ âåëè÷èí (ïî îïðåäåëåíèþ). Ñëåäîâàòåëüíî, óìåíüøåíèþ áëåñêà íà 1m ñîîòâåòñòâóåò óäàëåíèå â 101/5 = 1,585… ðàçà. Ïðè ýòîì îáúåì ïðîñòðàíñòâà, à çíà÷èò, è êîëè÷åñòâî çâåçä, åñëè îíè îäíîðîäíî çàïîëíÿþò ýòî ïðîñòðàíñòâî, âîçðàñòàåò â (1,585…)3 = 3,98… ðàçà. Èç íàáëþäåíèé, îäíàêî, ïîëó÷àëîñü ìåíüøåå çíà÷åíèå, ê òîìó æå ïîñòåïåííî óáûâàþùåå ïðè ïåðåõîäå ê ïîäñ÷åòàì âñå áîëåå òóñêëûõ çâåçä (òàáë.). Âàñèëèé Ñòðóâå áûë óâåðåí, ÷òî â ïðîñòðàíñòâå ìåæäó çâåçäàìè ñâåò èñïûòûâàåò ïîãëîùåíèå, è äàæå îöåíèë åãî ñðåäíåå çíà÷åíèå â 0,6m/êïê â âèçóàëüíûõ ëó÷àõ, ÷òî íå òàê óæ äàëåêî îò èñòèíû (îêîëî 1,6m/êïê), íî áîëüøåãî â ýïîõó âèçóàëüíûõ íàáëþäåíèé îí ñäåëàòü íå ìîã.
122
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè
Êîëè÷åñòâî çâåçä (N) íà âñåì íåáå, èìåþùèõ áëåñê ÿð÷å óêàçàííîé çâåçäíîé âåëè÷èíû (m) m –1 0 1 2 3
N 1 4 14 48 170
m 4 5 6 7 8
N 513 1 602 4 800 14 000 42 000
m 9 10 11 12 13
N, ìëí 0,121 0,340 0,927 2,46 6,29
m 14 15 16 17 18
N, ìëí 15,5 36,9 83,7 182 374
Èñïîëüçóÿ âîçìîæíîñòè ôîòîïëàñòèíêè, Êàïòåéí ïðîäâèíóëñÿ äàëüøå.  1901 ã. îí îïðåäåëèë ñðåäíåå ðàññòîÿíèå äî çâåçä, áëåñê êîòîðûõ çàêëþ÷åí â îïðåäåëåííûõ èíòåðâàëàõ çâåçäíûõ âåëè÷èí, ÷òî ïîçâîëèëî Õóãî Çåëèãåðó (1849–1924) îöåíèòü äèàìåòð Ãàëàêòèêè â 7 êïê ïðè òîëùèíå îêîëî 2 êïê — â÷åòâåðî áîëüøå, ÷åì ó Ãåðøåëÿ. Çàòåì â òå÷åíèå äâóõ äåñÿòèëåòèé Êàïòåéí ñ êîëëåãàìè ïîäðîáíî èññëåäîâàë 206 îáëàñòåé íåáà (ïëîùàäêè Êàïòåéíà), èçìåðÿÿ ïîëîæåíèå, áëåñê è ñïåêòðàëüíûé òèï çâåçä. Îäíàêî ïîëó÷åííàÿ â ðåçóëüòàòå ýòîé ðàáîòû êàðòà Ãàëàêòèêè, ïî áîëüøîìó ñ÷åòó, íå îòëè÷àëàñü îò êàðòû Ãåðøåëÿ: Ñîëíöå òîæå îêàçàëîñü íåâäàëåêå îò öåíòðà, õîòÿ ðàçìåð çâåçäíîé ñèñòåìû ñóùåñòâåííî âîçðîñ áëàãîäàðÿ òîìó, ÷òî ôîòîïëàñòèíêà «âèäèò» çâåçäû íàìíîãî áîëåå òóñêëûå, ÷åì çàìå÷àåò íàø ãëàç, à òåîðèÿ ïîçâîëÿåò òî÷íåå îïðåäåëÿòü ðàññòîÿíèå äî íèõ.  1920 ã. íà îñíîâå ïîäñ÷åòîâ çâåçä äî 13,5m Çåëèãåð ïîñòðîèë íîâóþ ìîäåëü Ãàëàêòèêè — ñôåðîèä ðàçìåðîì 14,4´3,3 êïê ñ Ñîëíöåì â ñåðåäèíå.  1922 ã. Êàïòåéí óòî÷íèë ýòó ìîäåëü — ñôåðîèä ðàçìåðîì 16´3 êïê, à Ñîëíöå íà ðàññòîÿíèè 0,65 êïê îò öåíòðà. Ìåæçâåçäíîå ïîãëîùåíèå ñâåòà ïðè ýòîì ñ÷èòàëîñü ÷ðåçâû÷àéíî ñëàáûì (0,08m/êïê), â ÷åì è ñîñòîÿëà îñíîâíàÿ îøèáêà. Òàêèì îáðàçîì, â íà÷àëå ÕÕ â. àñòðîíîìû óæå ïîíèìàëè, ÷òî íàáëþäåíèÿì â Ìëå÷íîì Ïóòè ìåøàåò ìåæçâåçäíîå ïîãëîùåíèå ñâåòà, íî òî÷íî îöåíèòü è ïðåîäîëåòü åãî îíè åùå íå ìîãëè. Ñèòóàöèþ ñ èññëåäîâàíèåì Ãàëàêòèêè â òå ãîäû íàãëÿäíî Ðèñ. 4.3. ßêîáóñ Êàïòåéí.
123
4.2. Íîâàÿ êîñìîãðàôèÿ
Ðèñ. 4.4. Ñå÷åíèå Ãàëàêòèêè ñîãëàñíî ìîäåëè Êàïòåéíà 1922 ã. Îòìå÷åí öåíòð çâåçäíîé ñèñòåìû (+) è ïîëîæåíèå Ñîëíöà (A) âñåãî ëèøü â 650 ïê îò öåíòðà Ãàëàêòèêè.
3 êïê 16 êïê
ïðåäñòàâèëà Ñåñèëèÿ Ïåéí-Ãàïîøêèíà (1954): «Ïðîáëåìó èññëåäîâàíèÿ íàøåé ñîáñòâåííîé Ãàëàêòèêè ìîæíî ñðàâíèòü ñ çàäàíèåì: ñòîÿ íà ïåðåñå÷åíèè 125-é ñòðèò è Ïàðê-àâåíþ, ñîñòàâèòü êàðòó Íüþ-Éîðêà. Õîòÿ íàáëþäàòåëþ, ðàñïîëîæåííîìó â ýòîé òî÷êå, áûëî áû ÿñíî, ÷òî ãîðîä î÷åíü âåëèê, êàêîå-ëèáî ñóæäåíèå î åãî ïðîòÿæåííîñòè è ïëàíå áûëî áû, î÷åâèäíî, íåâîçìîæíî. Äëÿ áîëüøåé àíàëîãèè ñëåäîâàëî áû âûáðàòü Ëîíäîí ñ åãî òóìàíàìè è ñìîãîì». Íà ïðàâèëüíîå ìåñòî â Ãàëàêòèêå íàøå äíåâíîå ñâåòèëî óäàëîñü ïîñòàâèòü ëèøü àìåðèêàíñêîìó àñòðîíîìó Õàðëîó Øåïëè (1885– 1972). Îí ðàññóäèë òàê: åñëè âäîëü óëèö íå ïðîñìàòðèâàåòñÿ öåíòð ãîðîäà, òî íóæíî ïîäíÿòü ãîëîâó è ïîïûòàòüñÿ ðàçãëÿäåòü âåðõóøêè íåáîñêðåáîâ — ãäå èõ áîëüøå, òàì è öåíòð.  êà÷åñòâå ðåïåðîâ äëÿ ïîñòðîåíèÿ êàðòû Ãàëàêòèêè îí âûáðàë íå çâåçäû, à øàðîâûå çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ. Ìåæçâåçäíîå ïîãëîùåíèå, êàê ìû òåïåðü çíàåì, âûçâàíî ìåëêèìè ïûëåâûìè ÷àñòèöàìè, ðàññåÿííûìè ìåæäó çâåçä. Ýòè ïûëèíêè ñîñðåäîòî÷åíû ãëàâíûì îáðàçîì âáëèçè ïëîñêîñòè Ìëå÷íîãî Ïóòè. À áîëüøèíñòâî øàðîâûõ ñêîïëåíèé ðàñïîëîæåíî âûñîêî íàä äèñêîì, ïîòîìó ïîãëîùåíèåì îíè ïî÷òè íå çàòðîíóòû. Âïðî÷åì, â òå ãîäû Øåïëè äóìàë, ÷òî ïîãëîùåíèÿ âîîáùå íåò. Íà êàðòå Ãàëàêòèêè, âïåðâûå ïîñòðîåííîé Øåïëè â 1917 ã., Ñîëíöå îêàçàëîñü íå òî ÷òîáû íà îêðàèíå, íî è äàëåêî íå â öåíòðå — ïðèìåðíî â 13 êïê îò ñåðåäèíû ãèãàíòñêîãî çâåçäíîãî îáëàêà ïîïåðå÷íèêîì 100 êïê. È õîòÿ â íàøè äíè ðàññòîÿíèå îò Ñîëíöà äî öåíòðà Ãàëàêòèêè ñ÷èòàåòñÿ íåñêîëüêî ìåíüøèì (îò 7,5 äî 8,5 êïê), ñóòü îò ýòîãî íå ìåíÿåòñÿ: ñ ïðåäñòàâëåíèÿìè î Ñîëíöå êàê î öåíòðå ìèðîçäàíèÿ ïðèøëîñü ðàññòàòüñÿ ðàç è íàâñåãäà. Êàê âîäèòñÿ, ëþáàÿ ñìåíà ïàðàäèãìû íå îáõîäèòñÿ áåç ïåðåãèáîâ è äèñêóññèé. Âîïðîñ î ðàçìåðå Ãàëàêòèêè è ðàñïîëîæåíèè Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû â íåé àñòðîíîìû ïîïûòàëèñü ðàçðåøèòü ïî-íîâîìó — â ôîðìå îòêðûòîãî äèñïóòà, íàçâàííîãî ïîçæå «Âåëèêèì ñïîðîì».  àïðåëå 1920 ã. â Íàöèîíàëüíîé àêàäåìèè íàóê â Âàøèíãòîíå ñîøëèñü äâà èçâåñòíûõ àñòðîíîìà — Õàðëîó Øåïëè è Ãåáåð ʸðòèñ (1872–1942). Ïåðâûé ñ÷èòàë, ÷òî íàøà ãàëàêòèêà îãðîìíà è îáúåäèíÿåò â ñåáå âñå âèäèìûå íà íåáå îáúåêòû, à âòîðîé — ÷òî íàøà ãàëàêòè-
124
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè
Ðèñ. 4.5. Ñõåìà ñå÷åíèÿ Ãàëàêòèêè âäîëü îñè âðàùåíèÿ ÷åðåç öåíòð è ïîëîæåíèå Ñîëíöà. Òåìíî-ñåðûì çàëèòû îáëàñòè, íåäîñòóïíûå äëÿ îïòè÷åñêèõ íàáëþäåíèé èç-çà ìåæçâåçäíîãî ïîãëîùåíèÿ ñâåòà. Åñòåñòâåííî, Ñîëíöå îêàçàëîñü â öåíòðå òîé îáëàñòè äèñêà, êîòîðàÿ äîñòóïíà äëÿ íàáëþäåíèé. Áî2ëüøàÿ ÷àñòü äèñêà ñêðûòà îò íàñ, îäíàêî îáúåêòû ãàëî — øàðîâûå çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ — â îñíîâíîì âèäíû, à èõ êîíöåíòðàöèÿ ê öåíòðó Ãàëàêòèêè óêàçûâàåò íà ïîëîæåíèå öåíòðà è ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü ðàññòîÿíèå äî íåãî.
êà íå òàê óæ âåëèêà è ÷òî ìíîãèå ïîäîáíûå åé çâåçäíûå ñèñòåìû, òàêèå êàê Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû, íàõîäÿòñÿ äàëåêî çà åå ïðåäåëàìè.  ðåçóëüòàòå äèñïóòà, êàê âîäèòñÿ, êàæäûé îñòàëñÿ ïðè ñâîåì ìíåíèè, à ïîçæå âûÿñíèëîñü, ÷òî êàæäûé èç íèõ îò÷àñòè çàáëóæäàëñÿ, à êîå â ÷åì áûë ïðàâ. Òåïåðü ìû çíàåì, ÷òî îñíîâó ñòðóêòóðû Ãàëàêòèêè ñîñòàâëÿåò òîíêèé äèñê, òîëùèíà êîòîðîãî íå ïðåâûøàåò íåñêîëüêèõ ñîòåí ïàðñåêîâ (â ýòîì ñìûñëå ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî îöåíêà Ãåðøåëÿ ïî-ïðåæíåìó ñïðàâåäëèâà). Ìàññà òîíêîãî äèñêà ïðèìåðíî 1011 MA, à ðàäèóñ — íå ìåíåå 20 êïê. Ýòî íàèáîëåå çàìåòíàÿ ÷àñòü íàøåé ãàëàêòèêè è äðóãèõ ïîäîáíûõ åé ñèñòåì (ðèñ. 4.6) — èìåííî â òîíêîì äèñêå ñîñðåäîòî÷åíû âñå ñàìûå ÿðêèå è ìîëîäûå çâåçäû. Ïîìèìî òîíêîãî äèñêà âûäåëÿþò åùå è áîëåå ñòàðûé òîëñòûé äèñê. Îí èìååò òîëùèíó îêîëî 1,5 êïê è ìàññó îêîëî 1010 MA. Ñ öåíòðîì òîíêîãî äèñêà ñîâïàäàåò öåíòð åùå îäíîé ãàëàêòè÷åñêîé ïîäñèñòåìû — áàëäæà, öåíòðàëüíîãî «âçäóòèÿ». Áàëäæ — ýòî ãèãàíòñêîå ñôåðîèäàëüíîå çâåçäíîå ñêîïëåíèå äèàìåòðîì â íåñêîëüêî êèëîïàðñåêîâ è ìàññîé ïðèìåðíî 1010 MA. Îí òîæå õîðîøî çàìåòåí íà ôîòîãðàôèÿõ.  îòëè÷èå îò òîíêîãî äèñêà, áàëäæ íàñåëåí áîëåå
4.2. Íîâàÿ êîñìîãðàôèÿ
125
Ðèñ. 4.6. Ñîñåäíÿÿ ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà Ì81 (NGC 3031) âíåøíå, âåðîÿòíî, ïîõîæà íà íàøó: ñïèðàëüíûå ðóêàâà ñ îòâåòâëåíèÿìè, ñêîïëåíèÿ ÿðêèõ ãîëóáûõ çâåçä, òåìíûå âîëîêíà ïûëåâûõ îáëàêîâ è ÿðêîå ïÿòíî áàëäæà â öåíòðå. Ãàëî ñëèøêîì òóñêëîå, ÷òîáû åãî ìîæíî áûëî ðàçëè÷èòü íà òàêîì ñíèìêå. Ôîòî: R. Jay GaBany è äð.
ñòàðûìè çâåçäàìè è ïîòîìó íà öâåòíûõ ñíèìêàõ èìååò õàðàêòåðíûé æåëòîâàòûé öâåò. Íàêîíåö, ñàìàÿ îáøèðíàÿ ïîäñèñòåìà Ãàëàêòèêè — ãàëî, ñôåðè÷åñêîå çâåçäíîå îáëàêî ïîïåðå÷íèêîì â äåñÿòêè êèëîïàðñåêîâ è ìàññîé ïðèìåðíî 1010 MA. Ãàëî íàñåëåíî ñàìûìè ñòàðûìè â Ãàëàêòèêå çâåçäàìè è øàðîâûìè ñêîïëåíèÿìè. Èññëåäîâàíèÿ ïîñëåäíèõ ëåò, â ïåðâóþ î÷åðåäü äàííûå Ñëîàíîâñêîãî öèôðîâîãî îáçîðà (SDSS), ïîêàçàëè, ÷òî ãàëî, íà ïåðâûé âçãëÿä êàæóùååñÿ ñôåðîé, íà ñàìîì äåëå èìååò ñëîæíóþ ñòðóêòóðó è ðàçäåëåíî íà ìíîãî÷èñëåííûå «çâåçäíûå ïîòîêè» — ãðóïïèðîâêè çâåçä, äâèæóùèåñÿ ïî îáùèì îðáèòàì è, âåðîÿòíî, ïðåäñòàâëÿþùèå ñîáîé îñòàòêè êàðëèêîâûõ ãàëàêòèê, ïîãëîùåííûõ Ìëå÷íûì Ïóòåì. Èòàê, íàøå Ñîëíöå — çâåçäà òîíêîãî ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà, óäàëåííàÿ îò öåíòðà Ãàëàêòèêè ïðèìåðíî íà 8 êïê è íàõîäÿùàÿñÿ â 10 ïê íàä ýêâàòîðèàëüíîé ïëîñêîñòüþ Ìëå÷íîãî Ïóòè. Êîíå÷íî, ñ òåì æå óñïåõîì ìîæíî áûëî ñ÷èòàòü, ÷òî Ñîëíöå ðàñïîëîæåíî ïîä ïëîñêîñòüþ Ìëå÷íîãî Ïóòè, íî òàê óæ ïîâåëîñü, ÷òî ìû ïðèâûêëè ñ÷èòàòü âåðõîì òó ñòîðîíó, ãäå íàõîäèìñÿ ñàìè.
126
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè
4.3. Âîêðóã Ãàëàêòèêè Ïðåæäå ÷åì ìû íà÷íåì ðàçáèðàòüñÿ ñ íàøèìè áëèæàéøèìè îêðåñòíîñòÿìè, êîðîòêî âçãëÿíåì íà îêðóæàþùóþ Âñåëåííóþ â áîëåå êðóïíîì ìàñøòàáå. Ïîïåðå÷íèê íàøåé Ãàëàêòèêè ñîñòàâëÿåò ìíîãèå äåñÿòêè êèëîïàðñåêîâ. Åñëè ìû îòëåòèì ÷óòü äàëüøå, òî ïîïàäåì â öàðñòâî ãàëàêòèê-ñïóòíèêîâ. Âîîáùå Ìëå÷íûé Ïóòü ïîõîæ â ýòîì îòíîøåíèè íà ëþáîé êðóïíûé ãîðîä: äèíàìè÷íî ðàçâèâàþùàÿñÿ öåíòðàëüíàÿ ÷àñòü, îêðàèíû, áûâøèå â íåäàâíåì ïðîøëîì îòäåëüíûìè äåðåâåíüêàìè, è áîëåå äàëåêèå ïðèãîðîäû, ñóìåâøèå äî ïîðû äî âðåìåíè ñîõðàíèòü îòíîñèòåëüíóþ íåçàâèñèìîñòü. Òàêèõ ñàìîñòîÿòåëüíûõ «ïðèãîðîäîâ» ó Ãàëàêòèêè ñåé÷àñ èçâåñòíî îêîëî äâóõ äþæèí (ñì. Ïðèëîæåíèå 8). Êðóïíåéøèå è ñàìûå èçâåñòíûå èç íèõ — Ìàãåëëàíîâû Îáëàêà, ïàðà íåïðàâèëüíûõ ãàëàêòèê ñ ïðîäîëæàþùèìñÿ çâåçäîîáðàçîâàíèåì. Ñîáñòâåííî, èìåííî áëàãîäàðÿ ÿðêèì ìîëîäûì çâåçäàì ýòè ãàëàêòèêè è ïðîñëàâèëèñü. Âîçìîæíî, Áîëüøîå Ìàãåëëàíîâî Îáëàêî ïðåæäå áûëî íåáîëüøîé ñïèðàëüíîé ãàëàêòèêîé ñ áàðîì, íî òåïåðü îò íåå îñòàëñÿ ëèøü áàð ñ «îãðûçêàìè» ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ. Îáà Ìàãåëëàíîâûõ Îáëàêà áîãàòû ãàçîì, ïîýòîìó òàì ÷àñòî ðîæäàþòñÿ çâåçäû, â òîì ÷èñëå è î÷åíü ìàññèâíûå. Ó äðóãèõ íàøèõ ñïóòíèêîâ âñÿ àêòèâíîñòü îñòàëàñü â ïðîøëîì. Òåïåðü ýòî êàðëèêîâûå ñôåðîèäàëüíûå ãàëàêòèêè, íàñåëåííûå ñòàðûìè çâåçäàìè, êîòîðûå è çàìåòèòü-òî óäàëîñü ëèøü áëàãîäàðÿ óïîðñòâó àñòðîíîìîâ, òùàòåëüíî ïðîñåèâàþùèõ ðåçóëüòàòû çâåçäíûõ îáçîðîâ. Ýòè ãàëàêòèêè íå çàñëóæèëè äàæå ñîáñòâåííûõ èìåí; èõ íàçûâàþò ïî èìåíàì ñîçâåçäèé, â êîòîðûõ îíè íàõîäÿòñÿ (ãàëàêòèêà Ïå÷ü, ãàëàêòèêà Ñêóëüïòîð, ãàëàêòèêà Íàñîñ è ò. ï.). Ñåé÷àñ ïîïóëÿðíà òåîðèÿ, ñîãëàñíî êîòîðîé âñå êðóïíûå ãàëàêòèêè îáðàçîâàëèñü â ðåçóëüòàòå ñëèÿíèÿ áîëüøîãî êîëè÷åñòâà «ìåëêèõ» çâåçäíûõ ñèñòåì. Ñ òî÷êè çðåíèÿ ýòîé òåîðèè òåïåðåøíèå ñïóòíèêè Ìëå÷íîãî Ïóòè — ëèøü íåñêîëüêî îñòàâøèõñÿ «êèðïè÷èêîâ», êîòîðûì ïîêà íå íàøëîñü ìåñòà â ãàëàêòè÷åñêîì çäàíèè. Íà ñïðàâåäëèâîñòü ýòîãî ïðåäïîëîæåíèÿ óêàçûâàåò êàðëèêîâàÿ ãàëàêòèêà â ñîçâåçäèè Ñòðåëåö, êîòîðóþ Ìëå÷íûé Ïóòü ïîãëîùàåò áóêâàëüíî ó íàñ íà ãëàçàõ. Ïðàâäà, ïðîèñõîäèò ýòî äàëåêî, íà ïðîòèâîïîëîæíîé ñòîðîíå ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà. Âñÿ «ãîðîäñêàÿ àãëîìåðàöèÿ» Ìëå÷íîãî Ïóòè ïðîñòèðàåòñÿ íà 300 êïê, à óæå â 780 êïê îò íàñ ðàñïîëîæåí äðóãîé «ìåãàïîëèñ», öåíòðîì êîòîðîãî ñëóæèò Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû (M31) — ãàëàêòèêà, ïîõîæàÿ íà Ìëå÷íûé Ïóòü, õîòÿ è íå ÿâëÿþùàÿñÿ åãî êîïèåé. Îíà òàêæå îêðóæåíà ãðóïïîé èç äâóõ äåñÿòêîâ ñïóòíèêîâ, ñðåäè êîòîðûõ
4.3. Âîêðóã Ãàëàêòèêè
127
Ðèñ. 4.7. Íàøà ãàëàêòèêà ñ «ïðèãîðîäàìè». Ðàñïîëîæåíèå êàðëèêîâûõ ãàëàêòèê, ñïóòíèêîâ Ìëå÷íîãî Ïóòè, îòìå÷åíî îòíîñèòåëüíî ïëîñêîñòè ãàëàêòè÷åñêîãî ýêâàòîðà; íà âíåøíåì êðóãå óêàçàíà ãàëàêòè÷åñêàÿ äîëãîòà. Íåêîòîðûå äàëåêèå ñïóòíèêè íå ïîêàçàíû.
åñòü äâà ìàëåíüêèõ ýëëèïòè÷åñêèõ êàðëèêà (Ì32 è Ì110). Âïðî÷åì, âîçìîæíî, ÷òî è íåáîëüøàÿ ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà Ì33 ÿâëÿåòñÿ ñïóòíèêîì Òóìàííîñòè Àíäðîìåäû. Ñåìåéñòâà Ìëå÷íîãî Ïóòè è Òóìàííîñòè Àíäðîìåäû âêóïå åùå ñ íåñêîëüêèìè äåñÿòêàìè ãàëàêòèê ïîìåëü÷å îáðàçóþò òàê íàçûâàåìóþ Ìåñòíóþ ãðóïïó ãàëàêòèê ïîïåðå÷íèêîì ïðèìåðíî 2 Ìïê. Èçó÷åíèå ðàñïðåäåëåíèÿ ãàëàêòèê ïîêàçûâàåò, ÷òî èìåííî â òàêèõ ãðóïïàõ ñîñðåäîòî÷åíî íàèáîëüøåå êîëè÷åñòâî çâåçä âî Âñåëåííîé, ïîýòîìó íåóäèâèòåëüíî, ÷òî è íàøå Ñîëíöå îêàçàëîñü â îäíîé èç íèõ, à íå â êàêîì-ëèáî êðóïíîì ñêîïëåíèè ãàëàêòèê. Áëèæàéøåå æå ê íàì «íàñòîÿùåå» ñêîïëåíèå ãàëàêòèê, íàñ÷èòûâàþùåå òûñÿ÷è ÷ëåíîâ, — ýòî èçâåñòíîå ñêîïëåíèå â Äåâå (Virgo). Ðàññòîÿíèå äî íåãî íå òàê âåëèêî, îêîëî 10 Ìïê, ÷òî äàåò ïîâîä ïèñàòü èíîãäà, ÷òî Ìåñòíàÿ ãðóïïà íàõîäèòñÿ íà îêðàèíå ýòîãî ñêîïëåíèÿ. Íî íà ñàìîì äåëå ýòî íå òàê âàæíî: ïîíÿòíî, ÷òî ÷åòêèõ ãðàíèö ìåæäó ãðóïïàìè íåò, è ïîòîìó çà÷àñòóþ î ïðèíàäëåæíîñòè êîíêðåòíîé ãàëàêòèêè ê ãðóïïå èëè ñêîïëåíèþ ìîæíî ãîâîðèòü ëèøü ñ äîëåé óâåðåííîñòè.
128
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè
Ðèñ. 4.8. Öåíòðàëüíàÿ ÷àñòü Ìåñòíîé ãðóïïû ãàëàêòèê — ïîäãðóïïû Ìëå÷íîãî Ïóòè è Òóìàííîñòè Àíäðîìåäû. ÁÌÎ — Áîëüøîå Ìàãåëëàíîâî Îáëàêî, ÌÌÎ — Ìàëîå Ìàãåëëàíîâî Îáëàêî.
Ðèñ. 4.9. Ìåñòíàÿ ãðóïïà ãàëàêòèê è áëèæàéøàÿ ñîñåäíÿÿ ãðóïïà Íàñîñà—Ñåêñòàíòà. Ðàñïîëîæåíèå ãàëàêòèê ïîêàçàíî îòíîñèòåëüíî ýêâàòîðèàëüíîé ïëîñêîñòè Ãàëàêòèêè. Íà âíåøíåì êðóãå óêàçàíà ãàëàêòè÷åñêàÿ äîëãîòà.
Èíòåðåñíî, ÷òî ñòðóêòóðà ìíîãèõ ãðóïï ãàëàêòèê îêàçûâàåòñÿ ñõîæåé ñî ñòðóêòóðîé Ìåñòíîé ãðóïïû: îíè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ïàðó äîìèíèðóþùèõ ïî ìàññå ãàëàêòèê, óäåðæèâàþùèõ âîêðóã ñåáÿ íåñêîëüêî äåñÿòêîâ íåáîëüøèõ çâåçäíûõ ñèñòåì. Äèíàìè÷åñêèå ðàñ÷åòû ïî-
4.3. Âîêðóã Ãàëàêòèêè
129
Ðèñ. 4.10. Ðåçóëüòàò òåñíîãî ñáëèæåíèÿ äâóõ êðóïíûõ çâåçäíûõ ñèñòåì äåìîíñòðèðóþò «Ìûøêè» (NGC 4676) — âçàèìîäåéñòâóþùèå ãàëàêòèêè, ðàñïîëîæåííûå íà ðàññòîÿíèè 89 Ìïê îò íàñ â íàïðàâëåíèè ñîçâåçäèÿ Âîëîñû Âåðîíèêè. Ôîòî: êîñìè÷åñêèé òåëåñêîï «Õàááë» (NASA, ESA).
êàçûâàþò, ÷òî â áóäóùåì áîëüøèíñòâî ÷ëåíîâ òàêèõ ãðóïï îæèäàåò íåìèíóåìîå ñëèÿíèå. Ñîîòâåòñòâåííî, â Ìåñòíîé ãðóïïå ýòî îçíà÷àåò ñëèÿíèå Ìëå÷íîãî Ïóòè è Òóìàííîñòè Àíäðîìåäû. Äåéñòâèòåëüíî, ïî ëó÷ó çðåíèÿ ãàëàêòèêà â Àíäðîìåäå äâèæåòñÿ ê Ñîëíöó ñî ñêîðîñòüþ 301 êì/ñ. Ïðàâäà, îñíîâíîé âêëàä â ýòó ñêîðîñòü âíîñèò äâèæåíèå ñàìîãî Ñîëíöà ïî ãàëàêòîöåíòðè÷åñêîé îðáèòå, íî è ñ ó÷åòîì ýòîãî Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû ïðèáëèæàåòñÿ ê íàøåé ãàëàêòèêå ñî ñêîðîñòüþ 117 êì/ñ. Ê ñîæàëåíèþ, íàì ïîêà íåèçâåñòíà ñîñòàâëÿþùàÿ åå ñêîðîñòè â ïåðïåíäèêóëÿðíîì ê ëó÷ó çðåíèÿ íàïðàâëåíèè, îäíàêî äèíàìè÷åñêèå ñîîáðàæåíèÿ, â ÷àñòíîñòè âûòåêàþùèå èç àíàëèçà äâèæåíèÿ ãàëàêòèêè Ì33, ãîâîðÿò î òîì, ÷òî â ïîïåðå÷íîì íàïðàâëåíèè Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû ëåòèò ñî ñêîðîñòüþ, íå ïðåâûøàþùåé 100 êì/ñ. Òàê ÷òî åå ñáëèæåíèå ñ íàìè òàê èëè èíà÷å ïðîèñõîäèò. Ïðèìåðíî ÷åðåç 4 ìëðä ëåò äâà êðóïíåéøèõ çâåçäíûõ îñòðîâà Ìåñòíîé ãðóïïû îæèäàåò åñëè íå ëîáîâîå ñòîëêíîâåíèå, òî óæ ïî êðàéíåé ìåðå òåñíîå ñáëèæåíèå, â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî èõ ñòðóêòóðà êàðäèíàëüíûì îáðàçîì èçìåíèòñÿ. Êàê èìåííî ïðîèçîéäåò ñáëèæåíèå äâóõ ãàëàêòèê è íà ÷òî áóäåò ïîõîæà áóäóùàÿ «Ìëå÷íîìåäà», åñëè ïðîèçîéäåò ñëèÿíèå, ñåé÷àñ ñêàçàòü íåëüçÿ, õîòÿ àñòðîíîìû è ïûòàþòñÿ ìîäåëèðîâàòü ýòîò ïðîöåññ (ðèñ. 7 íà öâåòíîé âêëàäêå) è èñêàòü âî Âñåëåííîé åãî àíàëîãè (ðèñ. 4.10). Ïðè íåêîòîðûõ âàðèàíòàõ ñáëèæåíèÿ íàøèõ ãàëàêòèê Ñîëíöå è äðóãèå ïåðèôåðèéíûå çâåçäû ìîãóò áûòü âûáðîøåíû íà î÷åíü äàëåêèå îðáèòû, êîòîðûå áóäóò îõâàòûâàòü îáå âçàèìîäåéñòâóþùèå
130
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè
ñèñòåìû. Òàê ÷òî ó íàøèõ ïîòîìêîâ áóäåò âîçìîæíîñòü ñëåäèòü çà ñòîëêíîâåíèåì ñ áåçîïàñíîãî ðàññòîÿíèÿ! Ïðàâäà, ïðåäâàðèòåëüíî èì íóæíî áóäåò íàéòè ñïîñîá ïðåîäîëåòü íåïðèÿòíûå ïîñëåäñòâèÿ ïðåâðàùåíèÿ Ñîëíöà â êðàñíûé ãèãàíò…
4.4. Ïîëîæåíèå Ñîëíöà â Ãàëàêòèêå Îñìîòðåâøèñü ïî ñòîðîíàì â îêîëîãàëàêòè÷åñêîì ïðîñòðàíñòâå, âåðíåìñÿ â íàøó çâåçäíóþ ñèñòåìó. Ìû óæå ãîâîðèëè, ÷òî Ãàëàêòèêó â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè äåëÿò íà ãàëî, áàëäæ è äèñê; èìåííî â ñîñòàâ äèñêà âõîäèò è íàøå Ñîëíöå. Ñàì äèñê òàêæå îáëàäàåò âíóòðåííåé ñòðóêòóðîé, ðàçãëÿäåòü êîòîðóþ íàì, íàõîäÿùèìñÿ âíóòðè, ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíî.  ïðîøëîì ó÷åíûå â òàêèõ ñëó÷àÿõ íåðåäêî ïðèçûâàëè íà ïîìîùü àíàëîãèþ. Íàïðèìåð, Èììàíóèë Êàíò (1724–1804) ïðåäïîëîæèë, ÷òî ìíîãèå òóìàííîñòè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ïîäîáíûå Ìëå÷íîìó Ïóòè «îñòðîâíûå Âñåëåííûå» (õîòÿ ñàì ýòîò òåðìèí âîçíèê ïîçæå — åãî ââåë À. Ãóìáîëüäò â 1850 ã.). Êîãäà àñòðîíîìû íà÷àëè íàáëþäàòü òóìàííîñòè â òåëåñêîï, îêàçàëîñü, ÷òî íà äèñêàõ ìíîãèõ èç íèõ âèäíû ïîëîñû ïîâûøåííîé ÿðêîñòè, èñõîäÿùèå èç öåíòðà òóìàííîñòè è ïðîñòèðàþùèåñÿ ê ïåðèôåðèè äèñêà ïî ñïèðàëè. Ýòè ïîëîñû ñòàëè íàçûâàòü «ñïèðàëüíûìè ðóêàâàìè» èëè «ñïèðàëüíûìè âåòâÿìè». Ïîñêîëüêó ê òîìó âðåìåíè àíàëîãèÿ ìåæäó Ìëå÷íûì Ïóòåì è òóìàííîñòÿìè óæå ïîëó÷èëà õîæäåíèå, åñòåñòâåííî áûëî ðàñïðîñòðàíèòü åå è íà áîëåå òîíêèå äåòàëè ñòðóêòóðû, òàêèå êàê ñïèðàëüíûå ðóêàâà. Ïåðâûå ïðåäïîëîæåíèÿ î òîì, ÷òî íàøà ãàëàêòèêà, ïîäîáíî ïðî÷èì òóìàííîñòÿì, óêðàøåíà ñïèðàëüíûì óçîðîì, âûñêàçûâàëèñü åùå â ñåðåäèíå XIX â., îäíàêî óáåäèòåëüíî äîêàçàòü íàëè÷èå ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ â Ìëå÷íîì Ïóòè óäàëîñü ëèøü ñòî ëåò ñïóñòÿ, â ñåðåäèíå XX â. Äåëî â òîì, ÷òî èç Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ñïèðàëüíûé ðèñóíîê ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà íå áûâàåò âèäåí íèêîãäà, äàæå â òå ýïîõè, êîãäà â õîäå ñâîèõ âåðòèêàëüíûõ êîëåáàíèé îòíîñèòåëüíî öåíòðàëüíîé ïëîñêîñòè äèñêà íàøà ïëàíåòíàÿ ñèñòåìà âìåñòå ñ Ñîëíöåì ïîäíèìàåòñÿ íàä ïëîòíîé ÷àñòüþ ïûëåâîãî ñëîÿ. Ìû óäàëåíû ïðèìåðíî íà 8,5 êïê îò öåíòðà Ãàëàêòèêè, à ïðèïîäíèìàåìñÿ íàä åå ïëîñêîñòüþ íå áîëåå ÷åì íà 85 ïê, ò. å. íà 1/100 ãàëàêòîöåíòðè÷åñêîãî ðàññòîÿíèÿ. Ïîýòîìó ñâîþ çâåçäíóþ ñèñòåìó îáèòàòåëè Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû âñåãäà âèäÿò ïðàêòè÷åñêè «ñ ðåáðà», â ïðîåêöèè íà äîâîëüíî óçêóþ ïîëîñó íåáîñâîäà. Ðàçëè÷èòü, ãäå çàêàí÷èâàåòñÿ îäèí ñïèðàëüíûé ðóêàâ è íà÷èíàåòñÿ äðóãîé, î÷åíü ñëîæíî. À ÷òîáû ñîçäàòü òðåõìåðíóþ ìîäåëü Ãàëàêòèêè, íóæíû òî÷íûå äàííûå î ðàññòîÿíèÿõ äî ðàçëè÷íûõ îáúåê-
4.4. Ïîëîæåíèå Ñîëíöà â Ãàëàêòèêå
131
òîâ, íî îíè ïîêà äîñòóïíû ëèøü äëÿ î÷åíü íåáîëüøîé îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà âîêðóã Ñîëíöà… Ïîýòîìó àñòðîíîìàì äî ñèõ ïîð íå óäàåòñÿ îêîí÷àòåëüíî ðåøèòü âîïðîñ î êîëè÷åñòâå ðóêàâîâ â íàøåé çâåçäíîé ñèñòåìå. Íà ïðîòÿæåíèè äîëãîãî âðåìåíè äîìèíèðîâàëà ÷åòûðåõðóêàâíàÿ ìîäåëü ñ ðóêàâàìè Ïåðñåÿ, Ñòðåëüöà, Íàóãîëüíèêà è Ùèòà—Êåíòàâðà. Òóò íàäî îòìåòèòü, ÷òî íàçâàíèÿ ðóêàâîâ, ðàñïîëîæåííûõ ìåæäó Ñîëíöåì è öåíòðîì Ãàëàêòèêè, îêîí÷àòåëüíî íå óñòîÿëèñü. Òàê, íàïðèìåð, ðóêàâ Ñòðåëüöà íàçûâàþò åùå ðóêàâîì Êèëÿ èëè ðóêàâîì Êèëÿ—Ñòðåëüöà, à ðóêàâ Ùèòà—Êåíòàâðà — òàêæå ðóêàâîì Êðåñòà—Ùèòà: ýòè îáëàñòè Ìëå÷íîãî Ïóòè îáèëüíî óñåÿíû çâåçäàìè. Íîâàÿ êàðòà Ãàëàêòèêè áûëà ïîñòðîåíà â 2008 ã. ïî íàáëþäåíèÿì ñ êîñìè÷åñêèì èíôðàêðàñíûì òåëåñêîïîì «Ñïèòöåð», èìåþùèì áåðèëëèåâîå çåðêàëî äèàìåòðîì 85 ñì. Çàïóùåííûé â 2003 ã. íà ãåëèîöåíòðè÷åñêóþ îðáèòó, îí äî 15 ìàÿ 2009 ã. ðàáîòàë â êðèîãåííîì ðåæèìå (T = 5,5 K), ïîçâîëÿâøåì ïðîâîäèòü íàáëþäåíèÿ â äèàïàçîíå îò 3 äî 180 ìêì, à çàòåì ïðîäîëæèë íàáëþäåíèÿ ïðè «êîìíàòíîé» òåìïåðàòóðå. Ïîñêîëüêó â èíôðàêðàñíîì äèàïàçîíå èçëó÷åíèÿ ìåæçâåçäíîå ïîãëîùåíèå íå ñòîëü âåëèêî, êàðòà Ãàëàêòèêè ïîëó÷èëàñü áîëåå äåòàëüíîé (ðèñ. 4.11), è íà íåé — ïî ìíåíèþ åå àâòîðîâ — âèäíî ëèøü äâà êðóïíûõ ðóêàâà: Ïåðñåÿ è Ùèòà—Êåíòàâðà. Ðóêàâà æå â Ñòðåëüöå è â Íàóãîëüíèêå ÿâëÿþòñÿ âòîðîñòåïåííûìè ñòðóêòóðàìè. Ïîìèìî ýòèõ äâóõ èëè ÷åòûðåõ ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ, â Ãàëàêòèêå âûäåëÿåòñÿ íåñêîëüêî ìåíåå ìàñøòàáíûõ âåòâåé è îòâåòâëåíèé. Âîçëå îäíîãî èç òàêèõ îòâåòâëåíèé, êîòîðîå ïî òðàäèöèè íàçûâàþò ðóêàâîì Îðèîíà èëè ïðîñòî Ìåñòíûì ðóêàâîì, ðàñïîëîæåíî è íàøå Ñîëíöå — ïðèìåðíî ïîñåðåäèíå ìåæäó ðóêàâàìè Ïåðñåÿ è Ñòðåëüöà, íà ðàññòîÿíèè 1,5–2 êïê îò êàæäîãî èç íèõ. Âìåñòå ñî âñåìè îêðåñòíûìè çâåçäàìè Ñîëíöå ëåòèò ïî îðáèòå âîêðóã öåíòðà Ãàëàêòèêè, ñîâåðøàÿ ïîëíûé îáîðîò ïðèìåðíî çà 240 ìëí ëåò ñî ñêîðîñòüþ îêîëî 220 êì/ñ. Íà ðèñ. 4.11 äèñê Ãàëàêòèêè âðàùàåòñÿ ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå, à çíà÷èò, Ñîëíöå äâèæåòñÿ âëåâî. Ýòîìó íàïðàâëåíèþ ñîîòâåòñòâóåò ãàëàêòè÷åñêàÿ äîëãîòà 90°. Ïîìèìî îáùåãî óïîðÿäî÷åííîãî äâèæåíèÿ âîêðóã öåíòðà Ãàëàêòèêè âñå îêðåñòíûå çâåçäû, â òîì ÷èñëå è Ñîëíöå, ñîâåðøàþò ñðàâíèòåëüíî íåáîëüøèå âçàèìíûå ïåðåìåùåíèÿ: ïî îòíîøåíèþ ê ñîâîêóïíîñòè áëèçêèõ çâåçä Ñîëíöå ñåé÷àñ äâèæåòñÿ ñî ñêîðîñòüþ îêîëî 20 êì/ñ â íàïðàâëåíèè ñîçâåçäèÿ Ãåðêóëåñ. Çíàíèå ñîâðåìåííîé ñêîðîñòè Ñîëíöà è ñóùåñòâóþùåå ó íàñ ïðåäñòàâëåíèå î ãðàâèòàöèîííîì ïîëå Ãàëàêòèêè ïîçâîëÿþò ðàññ÷èòàòü ôîðìó ãàëàêòè÷åñêîé îðáèòû Ñîëíöà. Åñëè áû ïîëå Ãàëàêòèêè
132
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè Ãàëàêòè÷åñêàÿ äîëãîòà 0°
75 000 câ. ëåò
30°
330°
Sc ut
60 000 câ. ëåò
um —
eu
m
sA rm
Ba r
rm
Or io nS
300°
kp cA
rm
Ga A lac tic
Sag it
ta Lo r ng Fa r Ba 3 k pc r
rs Pe
r Ar Oute
90°
Arm
Arm
rm urus A
ma or
s iu
nta Ce
N 45 000 câ. ëåò
r3 Nea
Sun
270°
pur
15 000 câ. ëåò
240°
120° 30 000 câ. ëåò
150° 180°
210°
Ðèñ. 4.11. Ñîâðåìåííàÿ êàðòà ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ Ãàëàêòèêè, ïîñòðîåííàÿ ïî äàííûì êîñìè÷åñêîãî òåëåñêîïà «Ñïèòöåð» (NASA). Scutum—Centaurus Arm — ðóêàâ Ùèòà—Êåíòàâðà; Sagittarius Arm — ðóêàâ Ñòðåëüöà; Perseus Arm — ðóêàâ Ïåðñåÿ; Norma Arm — ðóêàâ Íàóãîëüíèêà; Outer Arm — Âíåøíèé ðóêàâ; Orion Spur — ðóêàâ (èëè îòðîã) Îðèîíà; Near 3 kpc Arm — áëèæíèé 3-êèëîïàðñåêîâûé ðóêàâ; Far 3 kpc Arm — äàëüíèé 3-êèëîïàðñåêîâûé ðóêàâ; Galactic Bar — Ãàëàêòè÷åñêèé áàð; Long Bar — Äëèííûé áàð. Èñïîëüçîâàí ðèñóíîê: R. Hurt (Spitzer Science Center), JPL-Caltech, NASA.
áûëî êåïëåðîâûì (F ~ 1/r 2), òî Ñîëíöå äâèãàëîñü áû ïî ñëàáî âûòÿíóòîé ýëëèïòè÷åñêîé îðáèòå. Íî ïîëå Ãàëàêòèêè çíà÷èòåëüíî ñëîæíåå, ïîýòîìó ýëëèïñ ñîëíå÷íîé îðáèòû èñïûòûâàåò ñèëüíóþ ïðåöåññèþ â ïëîñêîñòè ãàëàêòè÷åñêîãî ýêâàòîðà è íåáîëüøèå ïîêà÷èâàíèÿ îòíîñèòåëüíî ýòîé ïëîñêîñòè.  ïðîåêöèè íà ïëîñêîñòü Ãàëàêòèêè Ñîëíöå ñîâåðøàåò ýïèöèêëè÷åñêîå äâèæåíèå (ñì. ðàçäåë 3.6) ñ ïåðèîäîì îêîëî 170 ìëí ëåò. Ñåé÷àñ ìû äâèæåìñÿ ê öåíòðó Ãàëàêòèêè è ÷åðåç
4.5. Âîêðóã Ñîëíöà
133
20 ìëí ëåò îêàæåìñÿ íà 0,11 êïê áëèæå ê íåìó, ÷åì ñåãîäíÿ. À ïðèìåðíî ÷åðåç 100 ìëí ëåò óäàëèìñÿ îò öåíòðà Ãàëàêòèêè íà 0,57 êïê îòíîñèòåëüíî íûíåøíåãî ðàññòîÿíèÿ. Âåðòèêàëüíûå êîëåáàíèÿ Ñîëíöå ñîâåðøàåò ñ ïåðèîäîì 70 ìëí ëåò. Ñåé÷àñ îíî óäàëèëîñü îò ïëîñêîñòè Ãàëàêòèêè âñåãî íà 12 ïê, íî ÷åðåç 15 ìëí ëåò äîñòèãíåò ìàêñèìàëüíîé âûñîòû â 85 ïê. Âîò òîãäà öåíòð Ãàëàêòèêè ñòàíåò íàì âèäåí çíà÷èòåëüíî ëó÷øå. Íî ïîëó÷èòü ôîòîãðàôèþ íàøåé çâåçäíîé ñèñòåìû ñ òàêîãî ðàêóðñà, êàê íà ðèñ. 4.11, íàì íèêîãäà íå óäàñòñÿ. Âïðî÷åì, êòî çíàåò…
4.5. Âîêðóã Ñîëíöà Áëèæàéøèå îêðåñòíîñòè Ñîëíöà ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé äîâîëüíî ñêó÷íóþ êàðòèíó. (Âïðî÷åì, ïî ìíåíèþ ìíîãèõ ó÷åíûõ, èìåííî ýòî îáñòîÿòåëüñòâî ñïîñîáñòâîâàëî ïîÿâëåíèþ æèçíè íà Çåìëå.) Äàâàéòå ïîñ÷èòàåì, êàêèå îáúåêòû íàõîäÿòñÿ â ïðåäåëàõ 10 ïàðñåêîâ îò Ñîëíöà. Íàïðèìåð, ê íà÷àëó 2012 ã. â ïðåäåëàõ ðàññòîÿíèÿ 10 ïê îò Ñîëíöà íàì áûëî èçâåñòíî 322 çâåçäû, èç êîòîðûõ 248 îòíîñÿòñÿ ê êðàñíûì êàðëèêàì: ýòî òóñêëûå ìàëîìàññèâíûå çâåçäû, êîòîðûå íå òîëüêî âáëèçè Ñîëíöà, íî è âî âñåé Âñåëåííîé ñîñòàâëÿþò áîëüøèíñòâî. Òàê ÷òî íå âåðüòå óòâåðæäåíèÿì, áóäòî íàøå Ñîëíöå — ðÿäîâîå ñâåòèëî: â äåéñòâèòåëüíîñòè îíî èç íåìíîãî÷èñëåííîé êàòåãîðèè êðóïíûõ! Èç îñòàâøèõñÿ çâåçä ëèøü òîëüêî 20 îòíîñÿòñÿ ê òîìó æå, ÷òî è ó Ñîëíöà, ñïåêòðàëüíîìó êëàññó G. Êðîìå òîãî, â ðàäèóñå 10 ïê áûëè îáíàðóæåíû 15 êîðè÷íåâûõ êàðëèêîâ, 20 áåëûõ êàðëèêîâ è 11 ïëàíåòíûõ ñèñòåì ñ 19 ïëàíåòàìè. Ýòî, ðàçóìååòñÿ, íå âñå: îòêðûòèÿ ïðîäîëæàþòñÿ è ñåé÷àñ, ñóäÿ ïî òîìó, ÷òî ñ 2000 ïî 2012 ãã., íàïðèìåð, ÷èñëî èçâåñòíûõ çâåçä â ðàäèóñå 10 ïê âîçðîñëî íà 20%. Åñëè òàê ïîéäåò è äàëüøå, òî ê 2020 ã. â ýòîé îáëàñòè àñòðîíîìû áóäóò íàñ÷èòûâàòü îêîëî 370 çâåçä, ïðàêòè÷åñêè èñ÷åðïàâ ýòèì èõ ïîèñê. Êîíå÷íî, ýòî ïðèðàùåíèå ñâÿçàíî èñêëþ÷èòåëüíî ñ îòêðûòèÿìè êðàñíûõ è êîðè÷íåâûõ êàðëèêîâ, à óæ ÿðêèå çâåçäû âáëèçè Ñîëíöà ìû ïåðåñ÷èòàëè âñå. Âïðî÷åì, ýòî áûëî íå î÷åíü ñëîæíî: äàæå óìåðåííî ãîðÿ÷èõ çâåçä ñïåêòðàëüíîãî êëàññà A â ðàññìàòðèâàåìîé ñôåðå âñåãî 4 ñâåòèëà (ñðåäè íèõ è ÿð÷àéøàÿ çâåçäà íî÷íîãî íåáà — Ñèðèóñ), à óæ áîëåå ãîðÿ÷èõ è ìàññèâíûõ OB-çâåçä è âîâñå íåò. Íî òàê áûëî íå âñåãäà. Êàê ìû çíàåì, â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà õàîòè÷åñêèå ñêîðîñòè çâåçä áëèçêè ê 20 êì/ñ. Ñ òàêîé ñêîðîñòüþ çâåçäà ïðîõîäèò ðàññòîÿíèå â 20 ïê çà 1 ìëí ëåò. Èìåííî çà ýòî âðåìÿ ïðîèñõîäèò ïî÷òè ïîëíàÿ ñìåíà ñîñåäåé Ñîëíöà â ýòîé îáëàñòè. Åñëè ïåðåâåñòè ýòî â ìàñøòàáû ïðèâû÷íûõ äëÿ íàñ îòðåçêîâ âðåìåíè, ò. å. ïðèðàâíÿòü ñðîê æèçíè çâåçäû (1010 ëåò) ê ïðîäîëæèòåëü-
134
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè
Êðþãåð 60 Ãðóìáðèäæ 34 Ñòðóâå 2398 Ðîññ 248 Çâåçäà Òèãàðäåíà
61 Ëåáåäÿ
DX Ðàêà Ëàëàíä 21185
6h Çâåçäà ˸éòåíà Ïðîöèîí
15 ñâ. ëåò
0h
10 Ýðèäàíà
Ðîññ 614
Ñîëíöå Âîëê 359 Ñèðèóñ
12 h
˸éòåí 726-8 Çâåçäà Áàðíàðäà Ïðîêñèìà Êåíòàâðà
YZ Êèòà Êèòà
EZ Âîäîëåÿ
18 h Êåíòàâðà
GJ 1061
Ëàêàéëü 9352 Ðîññ 154 GI 628
Çâåçäà Êàïòåéíà Ëàêàéëü 8760 DEN 1048-3956
Èíäåéöà
SÑR 1845-6357
Ðèñ. 4.12. Íàèáîëåå áëèçêèå ê Ñîëíöó çâåçäû, ðàñïîëîæåííûå â ïðåäåëàõ 4,3 ïê.  ýòîé îáëàñòè âñåãî 32 çâåçäû, âêëþ÷àÿ Ñîëíöå, íî ñðåäè íèõ åñòü äâîéíûå è äàæå òðîéíûå ñèñòåìû; âñåãî êàê ìèíèìóì 45 ñâåòèë, åñëè áðàòü â ðàñ÷åò áåëûå è êîðè÷íåâûå êàðëèêè. Îïîðíàÿ ïëîñêîñòü — ýêâàòîðèàëüíàÿ; ïî ïåðèìåòðó óêàçàíû çíà÷åíèÿ ïðÿìîãî âîñõîæäåíèÿ. Ðèñóíîê íà îñíîâå äàííûõ Wikipedia è Hipparcos.
íîñòè æèçíè ÷åëîâåêà (80 ëåò), òî ñìåíà ñîñåäåé â ýòîé îáëàñòè ïðîèñõîäèò çà 3 äíÿ: îíè íå ðîäíåå äëÿ íàñ, ÷åì ñîñåäè â êóïå ïîåçäà Ìîñêâà—Èðêóòñê. È óæ ïîäàâíî çâåçäû, îêðóæàþùèå íàñ â íûíåøíþþ ýïîõó, — íå òå æå ñàìûå, ÷òî îêðóæàëè Ñîëíå÷íóþ ñèñòåìó â ýïîõó åå ôîðìèðîâàíèÿ. Åñòü íåêîòîðûå óêàçàíèÿ íà òî, ÷òî ðîäèëîñü Ñîëíöå â áîëåå îæèâëåííîì ìåñòå, íî îá ýòîì ïîçæå. Íåñêîëüêî ñëîâ îá îáúåêòàõ, ê êîòîðûì ïðèìåíèìî ïðèëàãàòåëüíîå «áëèæàéøèé». Ñàìàÿ áëèçêàÿ ê íàì çâåçäà — êðàñíûé êàðëèê Ïðîêñèìà â ñîçâåçäèè Êåíòàâðà, óäàëåííàÿ íà 1,3 ïê. Áëèæàéøèé êîðè÷íå-
4.6. Ïîÿñ Ãóëäà
135
âûé êàðëèê — â ñèñòåìå å Èíäåéöà (3,6 ïê), áëèæàéøèé áåëûé êàðëèê — ñïóòíèê ÿðêîãî Ñèðèóñà A òóñêëûé Ñèðèóñ  (2,6 ïê), áëèæàéøàÿ âíåñîëíå÷íàÿ ïëàíåòíàÿ ñèñòåìà — ó çâåçäû å Ýðèäàíà (3,2 ïê). Çâåçäû, êàê ïðàâèëî, ðîæäàþòñÿ ãðóïïàìè; íåêîòîðûå èç ýòèõ ãðóïï ñóùåñòâóþò ñîòíè ìèëëèîíîâ è äàæå ìèëëèàðäû ëåò è íàáëþäàþòñÿ íàìè êàê çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ. Äðóãèå ãðóïïû íåäîëãîâå÷íû. Íà íà÷àëüíîì ýòàïå ñâîåãî ñóùåñòâîâàíèÿ îíè âûãëÿäÿò êàê çâåçäíûå àññîöèàöèè, à çàòåì ðàñïàäàþòñÿ è ïîïîëíÿþò ñîáîé òàê íàçûâàåìîå íàñåëåíèå çâåçä ïîëÿ. Áëèæàéøàÿ ê íàì àññîöèàöèÿ íàõîäèòñÿ íà ðàññòîÿíèè 55 ïê è íàçâàíà ïî èìåíè îäíîé èç âõîäÿùèõ â íåå çâåçä — àññîöèàöèÿ TW Ãèäðû. Ñàìîå áëèçêîå ñêîïëåíèå — Ãèàäû, îäíî èç óêðàøåíèé çèìíåãî íåáà, çâåçäíàÿ ðîññûïü, êàê áû îêðóæàþùàÿ çâåçäó á Òåëüöà (Àëüäåáàðàí). Ïðàâäà, ñàì Àëüäåáàðàí ê ýòîìó ñêîïëåíèþ îòíîøåíèÿ íå èìååò, òàê êàê íàõîäèòñÿ âñåãî â 20 ïê îò íàñ, à ñêîïëåíèå — â 40 ïê. Âïðî÷åì, ñèòóàöèÿ ñ ðàñïðåäåëåíèåì çâåçä â îêðåñòíîñòÿõ Ñîëíöà ìîæåò îêàçàòüñÿ è áîëåå ñëîæíîé. Ïîìèìî ñêîïëåíèé è àññîöèàöèé àñòðîíîìû âûäåëÿþò åùå îäèí âèä ãðóïïèðîâîê — äâèæóùèåñÿ ãðóïïû. Îíè íå îáëàäàþò ÿðêî âûðàæåííîé ñêó÷åííîñòüþ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé, çàíèìàþò áîëüøèå ïëîùàäè íà íåáå, è óáåäèòüñÿ â èõ ñóùåñòâîâàíèè óäàåòñÿ, ëèøü çàìåòèâ, ÷òî íåêîòîðûå èç îêðóæàþùèõ íàñ çâåçä èìåþò îäèíàêîâûå ïðîñòðàíñòâåííûå ñêîðîñòè è íàïîìèíàþò ýòèì ýñêàäðèëüþ ñàìîëåòîâ, ëåòÿùèõ ñòðîåì. Ïîýòîìó èõ åùå íàçûâàþò «ëåòÿùèå ãðóïïû» èëè «äâèæóùèåñÿ ñêîïëåíèÿ». Òàêèõ ãðóïï âáëèçè Ñîëíöà âûÿâëåíî îêîëî äåñÿòè; íàïðèìåð, â îäíó èç íèõ âõîäÿò ïî÷òè âñå çâåçäû Êîâøà Áîëüøîé Ìåäâåäèöû. Ñëó÷àéíûì ñõîäñòâî ñêîðîñòåé çâåçä áûòü íå ìîæåò; î÷åâèäíî, ÷òî ÷ëåíû äâèæóùèõñÿ ãðóïï èìåþò ãåíåòè÷åñêîå ðîäñòâî. Íî èçó÷àòü òàêèå êîëëåêòèâû äîâîëüíî ñëîæíî: íåîáõîäèìî òî÷íî èçìåðÿòü ðàññòîÿíèÿ äî çâåçä è âñå òðè êîìïîíåíòà èõ ñêîðîñòè. Ïîýòîìó îòíîñèòåëüíî ÷ëåíñòâà çâåçä â ýòèõ ãðóïïàõ è èõ ãðàíèö íåðåäêî èäóò ñïîðû. Íå èñêëþ÷åíî, ÷òî Ñîëíöå íàõîäèòñÿ âïëîòíóþ ê îäíîé èç äâèæóùèõñÿ ãðóïï èëè äàæå âíóòðè íåå, õîòÿ è íå ÿâëÿåòñÿ ÷ëåíîì ýòîé ãðóïïû (ïîäðîáíåå ñì. â ãëàâå 5).
4.6. Ïîÿñ Ãóëäà Ïîìèìî ýôåìåðíûõ çâåçäíûõ ãðóïï, â íàøåì ãàëàêòè÷åñêîì «ðîäíîì êðàþ» åñòü è áîëåå çàìåòíàÿ è âíóøèòåëüíàÿ ñòðóêòóðà. Ïåðâûì îáðàòèë íà íåå âíèìàíèå ñûí Âèëüÿìà Ãåðøåëÿ Äæîí (1792–1871), ñàì èçâåñòíûé àñòðîíîì, ïðîäîëæèâøèé ðàáîòó îòöà â Þæíîì ïîëóøàðèè.
136
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè Ñåâåðíûé ïîëþñ Ãàëàêòèêè
ÿñ Ïî
äà Ãóë
Öåíòð Ãàëàêòèêè
Ãàëàêòè÷åñêèé ýêâàòîð
Þæíûé ïîëþñ Ãàëàêòèêè
Ðèñ. 4.13. Ðàñïðåäåëåíèå ìîëîäûõ çâåçä (ñïåêòðàëüíûé êëàññ B), äîñòóïíûõ íåâîîðóæåííîìó ãëàçó (ÿð÷å 5,25m) íà êàðòå âñåãî íåáà â ãàëàêòè÷åñêèõ êîîðäèíàòàõ. Êðèâàÿ «Ïîÿñ Ãóëäà» — ýòî áîëüøîé êðóã íåáåñíîé ñôåðû, íàêëîíåííûé íà 20° ê ãàëàêòè÷åñêîìó ýêâàòîðó.
Èìåííî îí â 1847 ã. âïåðâûå îòìåòèë, ÷òî ÿðêèå çâåçäû þæíîãî íåáà ðàñïîëîæåíû íåñèììåòðè÷íî îòíîñèòåëüíî Ìëå÷íîãî Ïóòè. À â 1879 ã. àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì Áåíäæàìèí Ãóëä (1824–1896) ïðîòÿíóë ïîëóêîëüöî, î÷åð÷åííîå Ãåðøåëåì, ÷åðåç ñåâåðíîå íåáî, ïîêàçàâ, ÷òî ÿðêèå çâåçäû âñåãî íåáîñâîäà ðàñïîëàãàþòñÿ âáëèçè áîëüøîãî êðóãà, íàêëîíåííîãî ê ãàëàêòè÷åñêîìó ýêâàòîðó ïîä óãëîì îêîëî 20°. Ýòî çâåçäíîå êîëüöî èçâåñòíî òåïåðü êàê ïîÿñ Ãóëäà. Ïîñëåäóþùèå èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî Ãåðøåëü è Ãóëä íå îøèáëèñü — â ïîÿñ Ãóëäà äåéñòâèòåëüíî âõîäèò 90% âñåõ çâåçä ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ Î,  è À â ðàäèóñå 1 êïê îò Ñîëíöà. Êðîìå òîãî, â ýòîé æå îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà ñîñðåäîòî÷åíî ìíîãî ìåæçâåçäíîãî ãàçà. Ïðè ðàäèîíàáëþäåíèÿõ â ëèíèè íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà íà âîëíå 21 ñì ýòî ãàçîâîå óïëîòíåíèå îò÷åòëèâî ïðîÿâëÿåòñÿ; åãî ïðèíÿòî íàçûâàòü êîëüöîì Ëèíäáëaäà. Ïî ñîâðåìåííûì äàííûì, ïîÿñ Ãóëäà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ýëëèïòè÷åñêóþ ñòðóêòóðó ðàçìåðàìè ïðèìåðíî 1000 ´ 500 ïê, íàêëîíåííóþ ê ïëîñêîñòè äèñêà Ãàëàêòèêè íà 20°. Öåíòð ýòîé ñòðóêòóðû íàõîäèòñÿ â 100 ïê îò Ñîëíöà, ïðèìåðíî â íàïðàâëåíèè ñîçâåçäèÿ Ïåðñåé. Ñàìà ñòðóêòóðà ðàñøèðÿåòñÿ ñî ñêîðîñòüþ íåñêîëüêî êèëîìåòðîâ â ñåêóíäó, ÷òî ïîçâîëÿåò îöåíèòü åå âîçðàñò (ïîäåëèâ ðàçìåð íà ñêîðîñòü) — íå áîëåå 60 ìëí ëåò. Òàêàÿ îöåíêà ïîäòâåðæäàåòñÿ è òåì, ÷òî
137
4.6. Ïîÿñ Ãóëäà
l = 180° Càm OB1 Mon R2
A Col 121
500 ïê
Mon OB1
B Ori OB1 Cep OB4
Per OB2
Cep OB3 Öåôåé
Cep OB2
Ïåðñåÿ
Òåëåö Vel OB2
Cyg OB7
Cas—Tau
l =270°
Lac OB1 Ïàðóñà Õàìåëåîí Óãîëüíûé Ìåøîê G 317-4 Âîëê Oph
l = 90°
Sco OB2
Ïðîâàë Îðëà
Ïðîâàë Ëèñè÷êè
Â
Ñ
Ïðîâàë Ëåáåäÿ
À
l = 0°
Vul OB4
Ðèñ. 4.14. Êàðòà áëèæàéøèõ îêðåñòíîñòåé Ñîëíöà â ïðîåêöèè íà ïëîñêîñòü Ãàëàêòèêè. Ðàçìåð îáëàñòè ïî äèàãîíàëè îêîëî 2,5 êïê. Ñîëíöå ðàñïîëîæåíî â íà÷àëå ãàëàêòè÷åñêèõ êîîðäèíàò; íàïðàâëåíèþ íà öåíòð Ãàëàêòèêè ñîîòâåòñòâóåò l = 0°.
â ñîñòàâ ïîÿñà Ãóëäà âõîäÿò â îñíîâíîì ìîëîäûå ìàññèâíûå è ìàëîìàññèâíûå çâåçäû, à òàêæå ìîëåêóëÿðíûå îáëàêà, â êîòîðûõ ôîðìèðîâàíèå çâåçä àêòèâíî ïðîäîëæàåòñÿ è â íàñòîÿùóþ ýïîõó. Êàðòà ýòîé îáëàñòè ïðèâåäåíà íà ðèñ. 4.14. Íà íåé â âèäå ñæàòîãî òîðà ïîêàçàíî ãàçîâîå êîëüöî Ëèíäáëàäà, ïðèìåðíî ñîâïàäàþùåå ñ ïîÿñîì Ãóëäà. Ñåðûìè êðóæêàìè èçîáðàæåíû ìîëåêóëÿðíûå îáëàêà è ïîãðóæåííûå â íèõ ìîëîäûå ñêîïëåíèÿ, ãäå èç ãàçà åùå ïðîäîëæàþò ôîðìèðîâàòüñÿ çâåçäû, ÷åðíûìè êðóæêàìè — ñêîïëåíèÿ è àññîöèàöèè çðåëîãî âîçðàñòà, óæå î÷èñòèâøèåñÿ îò ãàçà. Ðàçìåðû êðóæêîâ ïðèìåðíî ñîîòâåòñòâóþò ðàçìåðàì ýòèõ îáúåêòîâ.
138
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè
1
2
3
4
Ðèñ. 4.15. Âîçìîæíûå ýòàïû ôîðìèðîâàíèÿ ïîÿñà Ãóëäà. 1 — â ãèãàíòñêîì ìîëåêóëÿðíîì îáëàêå 60 ìëí ëåò íàçàä ðîäèëàñü çâåçäíàÿ àññîöèàöèÿ Êàññèîïåÿ—Òåëåö (Cas—Tau); 2 è 3 — çâåçäíûé âåòåð îò ìàññèâíûõ çâåçä è âçðûâû ñâåðõíîâûõ î÷èñòèëè àññîöèàöèþ îò ãàçà, ðàçðóøèëè îáëàêî è ñîçäàëè ðàñøèðÿþùóþñÿ îáîëî÷êó, ñãðåáàþùóþ ïåðåä ñîáîé ìåæçâåçäíûé ãàç; 4 — â íàèáîëåå ïëîòíûõ ÷àñòÿõ îáîëî÷êè íà÷àëîñü ôîðìèðîâàíèå çâåçä è ïðèìåðíî 15 ìëí ëåò íàçàä âîçíèêëî íåñêîëüêî OB-àññîöèàöèé, îñòàòêè êîòîðûõ íàáëþäàþòñÿ ñåé÷àñ êàê ïîÿñ Ãóëäà. Ïî de Zeeuw et al., 2001.
Ïðè÷èíû ïîÿâëåíèÿ ïîÿñà Ãóëäà ïîêà íåÿñíû. Âíåøíå ðàñïðåäåëåíèå çâåçä, ãàçà è îáëàñòåé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ âûãëÿäèò òàê, ñëîâíî íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ìèëëèîíîâ ëåò íàçàä â ýòîé ÷àñòè Ãàëàêòèêè ïðîèçîøåë êàêîé-òî êàòàêëèçì, âçðûâ, êîòîðûé ïðèâåë ê îáðàçîâàíèþ ðàñøèðÿþùåéñÿ ãàçîâîé îáîëî÷êè. Ýòà îáîëî÷êà ñãðåáëà îêðóæàþùèé ãàç, óïëîòíèëà åãî, è â íåì íà÷àëîñü ôîðìèðîâàíèå çâåçä, êîòîðûå ìû è íàáëþäàåì òåïåðü â âèäå ïîÿñà.  ïðèíöèïå, ïîäîáíûå ñòðóêòóðû íàáëþäàþòñÿ è â íàøåé, è â äðóãèõ ãàëàêòèêàõ. Ñåé÷àñ ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî òàêèå ñâåðõîáîëî÷êè ôîðìèðóþòñÿ â ðåçóëüòàòå
4.6. Ïîÿñ Ãóëäà
139
Ðèñ. 4.16. Ñêîïëåíèå Òðàïåöèÿ — ÷àñòü áëèæàéøåé ê íàì îáëàñòè ôîðìèðîâàíèÿ ìàññèâíûõ çâåçä â êîìïëåêñå ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ Îðèîíà.  öåíòðå — ÷åòûðå ÿðêèå çâåçäû, îáðàçóþùèå ôèãóðó, äàâøóþ íàçâàíèå ñêîïëåíèþ. Ìíîãèå åãî çâåçäû åùå îêðóæåíû ïëîòíûì ãàçîì è ïûëüþ è ïîýòîìó íå âèäíû â îïòè÷åñêèõ ëó÷àõ. Ñíèìîê ïîëó÷åí êîñìè÷åñêèì òåëåñêîïîì «Õàááë» â ÈÊ-äèàïàçîíå ñïåêòðà (1,1 è 1,6 ìêì).
ïîñëåäîâàòåëüíûõ âñïûøåê ñâåðõíîâûõ â ìîëîäûõ çâåçäíûõ àññîöèàöèÿõ. Íå÷òî ïîäîáíîå ìîãëî ïðèâåñòè ê ïîÿâëåíèþ ïîÿñà Ãóëäà, î ÷åì êîñâåííî ñâèäåòåëüñòâóåò íàëè÷èå ïðèìåðíî â åãî öåíòðå îñòàòêà êðóïíîé â ïðîøëîì çâåçäíîé àññîöèàöèè Êàññèîïåè—Òåëüöà. Îäíàêî â ðàìêàõ ýòîé ìîäåëè òðóäíî îáúÿñíèòü îòìå÷åííîå âûøå ñâîéñòâî ïîÿñà — åãî íàêëîí ê ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè. Äðóãèå ïîïûòêè îáúÿñíèòü ïðîèñõîæäåíèå ïîÿñà Ãóëäà ñâÿçàíû ñ ãèïîòåçîé î ñòîëêíîâåíèè Ãàëàêòèêè ñ ìåæãàëàêòè÷åñêèì ãàçîâûì îáëàêîì,
140
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè
óäàð êîòîðîãî ïî äèñêó Ãàëàêòèêè òîæå ìîã ïðîèçâåñòè ýôôåêò âçðûâà. Ïîëíàÿ ìàññà çâåçä â ïîÿñå Ãóëäà ñîñòàâëÿåò íåñêîëüêî ñîòåí òûñÿ÷ ìàññ Ñîëíöà. Çíà÷èòåëüíàÿ ÷àñòü çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ ïîÿñà ñîñðåäîòî÷åíà â îäíîì «êîëëåêòèâå» — â OB-àññîöèàöèè Ñêîðïèîíà— Êåíòàâðà, áëèæàéøåì ê íàì ñêîïëåíèè ãîðÿ÷èõ ìàññèâíûõ çâåçä. Ýòà àññîöèàöèÿ âêëþ÷àåò â ñåáÿ òðè ïîäãðóïïû. Ñàìàÿ ìîëîäàÿ èç íèõ — Âåðõíèé Ñêîðïèîí ñ âîçðàñòîì îêîëî 5 ìëí ëåò. Äâå äðóãèå — Âåðõíèé Êåíòàâð — Âîëê è Íèæíèé Êåíòàâð — Êðåñò — ïðèìåðíî íà 10 ìëí ëåò ñòàðøå. Äëÿ çâåçäíîé àññîöèàöèè âîçðàñò â íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ëåò ìîæíî ñ÷èòàòü âåñüìà ñîëèäíûì. Îí óêàçûâàåò, ÷òî ýïîõà ðîæäåíèÿ çâåçä â àññîöèàöèè Ñêîðïèîíà—Êåíòàâðà äàâíî óæå ïîçàäè, äà è âñïûøêè ñâåðõíîâûõ, êîòîðûìè çàâåðøàþò ñâîé æèçíåííûé ïóòü ìàññèâíûå çâåçäû, â ýòîé àññîöèàöèè ïî áîëüøåé ÷àñòè óæå îòãðåìåëè. Ñòðîãî ãîâîðÿ, äàæå íàçâàíèå «OB-àññîöèàöèÿ» â äàííîì ñëó÷àå íå âïîëíå ïðèìåíèìî: çâåçä ñïåêòðàëüíîãî êëàññà O â Ñêîðïèîíå—Êåíòàâðå óæå ïðàêòè÷åñêè íåò. Ìàññà ãàçà â ïîÿñå Ãóëäà ñîñòàâëÿåò íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ìàññ Ñîëíöà, ïðè÷åì áîëüøàÿ ÷àñòü ýòîãî ãàçà òàêæå ñîñðåäîòî÷åíà â îäíîì ìåñòå — â êîìïëåêñå ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ â ñîçâåçäèè Îðèîí.  îòëè÷èå îò àññîöèàöèè Ñêîðïèîíà—Êåíòàâðà, çäåñü çâåçäîîáðàçîâàíèå â ñàìîì ðàçãàðå, è â çâåçäàõ ñïåêòðàëüíîãî êëàññà O íåäîñòàòêà íåò. Ýòîò ãèãàíòñêèé êîìïëåêñ ìàññîé â íåñêîëüêî ñîòåí òûñÿ÷ ìàññ Ñîëíöà è ïîïåðå÷íèêîì â ñîòíþ ïàðñåêîâ òàêæå ñîñòîèò èç íåñêîëüêèõ îáëàñòåé ðàçíîãî âîçðàñòà: îò ïðàêòè÷åñêè íóëåâîãî äî íåñêîëüêèõ ìèëëèîíîâ ëåò. Ïðè÷åì ñàìûå ñòàðûå îáëàñòè ìàêñèìàëüíî áëèçêè ê öåíòðó ïîÿñà Ãóëäà, à ñàìûå ìîëîäûå äàëåêè îò íåãî, êàê è äîëæíî áûòü, åñëè îò öåíòðà ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ «âîëíà» çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Îáëàêà â Îðèîíå — áëèæàéøàÿ ê íàì îáëàñòü ôîðìèðîâàíèÿ ìàññèâíûõ çâåçä. Òàì ðàñïîëîæåíû èçâåñòíûå âñåì ëþáèòåëÿì àñòðîíîìèè îáúåêòû — òóìàííîñòü Êîíñêàÿ Ãîëîâà, Áîëüøàÿ Òóìàííîñòü Îðèîíà, çâåçäíîå ñêîïëåíèå Òðàïåöèÿ… Èìåííî ýòî ñêîïëåíèå âîçðàñòîì îêîëî 0,3 ìëí ëåò ìîæíî ïðèâåñòè êàê ïðèìåð ðàçèòåëüíîãî êîíòðàñòà ìåæäó îáëàñòüþ àêòèâíîãî çâåçäîîáðàçîâàíèÿ è òåïåðåøíèìè îêðåñòíîñòÿìè Ñîëíöà. Îêîëî 1000 çâåçä Òðàïåöèè ñîñðåäîòî÷åíî â îáúåìå ïîïåðå÷íèêîì íå áîëåå ïàðñåêà. Ýòî ñîîòâåòñòâóåò çâåçäíîé ïëîòíîñòè â òûñÿ÷è ðàç áîëüøåé, ÷åì âáëèçè Ñîëíöà. Äà è çâåçäû ýòè — íå ÷åòà íàøèì íåâçðà÷íûì ñîñåäÿì: ìàññà íàèáîëåå êðóïíûõ èç íèõ ïðåâûøàåò ñîëíå÷íóþ â äåñÿòêè ðàç.
4.7. Íà ãðàíèöå Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû
141
Îáèëèå ãîðÿ÷èõ ìàññèâíûõ ñâåòèë ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî Òðàïåöèÿ, äà è âñÿ îáëàñòü çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â Îðèîíå, çàïîëíåíà ìîùíûì óëüòðàôèîëåòîâûì èçëó÷åíèåì, ÷òî äîëæíî äåëàòü åå äîâîëüíî áåçæèçíåííûì ìåñòîì. Ìåæäó òåì, êàê ñ÷èòàþò íåêîòîðûå ó÷åíûå, èìåííî íà Òóìàííîñòü Îðèîíà ïîõîäèëà òà îáëàñòü çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, â êîòîðîé îêîëî 5 ìëðä ëåò íàçàä âîçíèêëà ïðîòîñîëíå÷íàÿ òóìàííîñòü. Îäíèì èç ñâèäåòåëüñòâ ýòîãî ÿâëÿåòñÿ íåáîëüøîé ðàçìåð Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû.  áîëåå òåìíûõ ìåñòàõ (ïî ñðàâíåíèþ ñ Îðèîíîì) ïðîòîïëàíåòíûå äèñêè ó ìîëîäûõ çâåçä èìåþò ðàäèóñû äî òûñÿ÷è àñòðîíîìè÷åñêèõ åäèíèö, òîãäà êàê äèñê âîêðóã ìîëîäîãî Ñîëíöà âðÿä ëè ïðîñòèðàëñÿ äàëüøå 50 à. å. Èìåííî òàêèå «óñå÷åííûå» äèñêè íàáëþäàþòñÿ ó ìàëîìàññèâíûõ çâåçä â îáëàêàõ Îðèîíà — èõ âíåøíèå îáëàñòè íàãðåâàþòñÿ óëüòðàôèîëåòîâûì èçëó÷åíèåì è ðàññåèâàþòñÿ â ïðîñòðàíñòâå. Èòàê, âñå çâåçäû î÷åíü äàëåêè îò íàñ: äàæå äî áëèæàéøåé èç íèõ ñâåò èäåò áîëåå ÷åòûðåõ ëåò. Íî åñòü êîìïîíåíò Ãàëàêòèêè, ñ êîòîðûì ìû ñîïðèêàñàåìñÿ íåïîñðåäñòâåííî, — ýòî ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà. Èìåííî âåùåñòâî, ìàãíèòíîå ïîëå, êîñìè÷åñêèå ëó÷è, çàïîëíÿþùèå ïðîñòðàíñòâî ìåæäó çâåçäàìè, ñëóæàò òåì «èíòåðôåéñîì», ïîñðåäñòâîì êîòîðîãî Ñîëíöå è ïëàíåòû âñòðàèâàþòñÿ â ãàëàêòè÷åñêóþ ýêîñèñòåìó.
4.7. Íà ãðàíèöå Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû Ïðåæäå ÷åì ãîâîðèòü î ïîãðàíè÷íîì âçàèìîäåéñòâèè Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ñ ìåæçâåçäíîé ñðåäîé, ïîëåçíî çàäóìàòüñÿ î òîì, ãäå æå èìåííî ïðîõîäèò ãðàíèöà Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Äî 1990-õ ãã. ïîäõîäÿùèì îðèåíòèðîì êàçàëàñü îðáèòà Ïëóòîíà. Íî òåïåðü ìû çíàåì, ÷òî è çà íåé ïðèñóòñòâóåò âåùåñòâî Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû: çà îðáèòîé Ïëóòîíà ëåæèò ïîÿñ Êîéïåðà. Òî÷íåå, îí íàõîäèòñÿ çà îðáèòîé Íåïòóíà, ïîñêîëüêó ñòàëî ÿñíî, ÷òî è Ïëóòîí — âñåãî ëèøü îäèí èç êðóïíûõ îáúåêòîâ ïîÿñà Êîéïåðà. Ñëåäîâàòåëüíî, íàì ñëåäóåò ïðîâåñòè ãðàíèöó ïî âíåøíåìó êðàþ ïîÿñà Êîéïåðà? Íî êàêîãî èìåííî ïîÿñà? Åñòü êëàññè÷åñêèé ïîÿñ Êîéïåðà, ÷ëåíû êîòîðîãî îáðàùàþòñÿ âîêðóã Ñîëíöà ïî ïî÷òè êðóãîâûì îðáèòàì ìåæäó 40 è 50 à. å., êàê ïðàâèëî, âáëèçè ïëîñêîñòè ýêëèïòèêè (õîòÿ âñòðå÷àþòñÿ è îðáèòû ñ íàêëîíåíèÿìè äî 30°). Èìåííî êëàññè÷åñêèé ïîÿñ Êîéïåðà, ïî-âèäèìîìó, î÷åð÷èâàåò èñõîäíóþ ãðàíèöó ïðîòîïëàíåòíîãî äèñêà ó ìîëîäîãî Ñîëíöà. Îäíàêî åñòü åùå è ðàññåÿííûé ïîÿñ Êîéïåðà, äëÿ îáúåêòîâ êîòîðîãî õàðàêòåðíû âûòÿíóòûå îðáèòû ñ ïåðèãåëèåì â îáëàñòè îðáèòû Íåïòóíà è àôåëèéíû-
142
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè Ðèñ. 4.17. Ýðèäà — îäèí èç êðóïíåéøèõ îáúåêòîâ ïîÿñà Êîéïåðà. Êîñìè÷åñêèé òåëåñêîï «Õàááë» çàïå÷àòëåë íå òîëüêî ýòó äàëåêóþ êàðëèêîâóþ ïëàíåòó, íî è åå ñïóòíèê Äèñíîìèþ. Ôîòî: NASA, ESA, M. Brown (CalTech).
ìè ðàññòîÿíèÿìè â ñîòíè àñòðîíîìè÷åñêèõ åäèíèö. Èìåííî ê ðàññåÿííîìó ïîÿñó îòíîñèòñÿ êàðëèêîâàÿ ïëàíåòà Ýðèäà, íàçâàííàÿ â ÷åñòü áîãèíè ðàçäîðà, ïîñêîëüêó èìåííî ñ åå îòêðûòèåì â ñðåäå àñòðîíîìîâ íà÷àëèñü îñòðûå ñïîðû î òîì, ñëåäóåò ëè ñ÷èòàòü Ïëóòîí ïîëíîöåííîé ïëàíåòîé. Åñëè ïðîâîäèòü ãðàíèöó ïî ðàññåÿííîìó ïîÿñó Êîéïåðà, òî îíà îêàæåòñÿ íà ðàññòîÿíèè ïðèìåðíî 150 à. å. Ïðàâäà, ýòî áóäåò íå ñîâñåì ÷åñòíî: îáúåêòû ðàññåÿííîãî ïîÿñà íå ðîäèëèñü íà ýòèõ ðàññòîÿíèÿõ, à áûëè âûáðîøåíû òóäà òÿãîòåíèåì Íåïòóíà. Òàê ÷òî ýòè ïðîñòðàíñòâà íåëüçÿ ñ÷èòàòü «èñêîííûìè òåððèòîðèÿìè» Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû; ñêîðåå ýòî îáëàñòü åå ýêñïàíñèè. Íàêîíåö, åñòü ïëàíåòîèä Ñåäíà, êàíäèäàò â êàðëèêîâûå ïëàíåòû. Åå àôåëèé óäàëåí îò Ñîëíöà íà 937 à. å., à ïåðèãåëèé íàõîäèòñÿ íà ðàññòîÿíèè 76 à. å. — ýòî áîëüøå ïðåäïîëàãàåìîãî ðàäèóñà ïðîòîñîëíå÷íîãî äèñêà è ñëèøêîì äàëåêî îò Íåïòóíà, ÷òîáû ïåðåõîä Ñåäíû íà ñòîëü óäàëåííóþ îðáèòó ìîæíî áûëî îáúÿñíèòü ãðàâèòàöèîííûìè âîçìóùåíèÿìè ñî ñòîðîíû áîëüøèõ ïëàíåò. Î ïðîèñõîæäåíèè Ñåäíû ïîêà íåò åäèíîãî ìíåíèÿ. Âûñêàçûâàþòñÿ ðàçëè÷íûå ãèïîòåçû, íàïðèìåð, ÷òî Ñåäíà áûëà âûðâàíà èç öåíòðàëüíîé îáëàñòè Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû òÿãîòåíèåì íåêîé çâåçäû, ïðîëåòàâøåé ìèìî Ñîëíöà, èëè ÷òî Ñåäíà áûëà çàõâà÷åíà Ñîëíöåì èç ÷óæîé ïëàíåòíîé ñèñòåìû â ìîìåíò òåñíîãî ñáëèæåíèÿ ñ íåé — âàðèàíòû â ïðèíöèïå âîçìîæíûå, íî êðàéíå ìàëîâåðîÿòíûå. Ñåäíà è åùå 8 ïîõîæèõ íà íåå îáúåêòîâ ìîãóò îêàçàòüñÿ ëèøü âåðõóøêîé àéñáåðãà.  1950 ã. íèäåðëàíäñêèé àñòðîíîì ßí Îîðò (1900– 1992) çàäàëñÿ âîïðîñîì î ïðîèñõîæäåíèè äîëãîïåðèîäè÷åñêèõ êî-
4.7. Íà ãðàíèöå Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû
143
Ðèñ. 4.18. Ñòðîåíèå Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû â ëîãàðèôìè÷åñêîì ìàñøòàáå. Êîìåòû â îáëàêå Îîðòà ñëàáî ñâÿçàíû ñ Ñîëíöåì è ïîäâåðæåíû ãðàâèòàöèîííîìó âëèÿíèþ îêðóæàþùèõ çâåçä è äðóãèõ ìàññèâíûõ îáúåêòîâ. Ïîýòîìó îíè ÷àñòî ïîêèäàþò Ñîëíå÷íóþ ñèñòåìó, íî ýòè ïîòåðè êîìïåíñèðóþòñÿ êîìåòàìè èç çíà÷èòåëüíî áîëåå íàñåëåííîãî îáëàêà Õèëñà, èíà÷å íàçûâàåìîãî ïîÿñîì Õèëñà èëè âíóòðåííèì îáëàêîì Îîðòà.
ìåò. Îí îáðàòèë âíèìàíèå íà òî, ÷òî îíè ïðèõîäÿò â öåíòðàëüíóþ îáëàñòü Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ïðàêòè÷åñêè ðàâíîâåðîÿòíî ñî âñåõ íàïðàâëåíèé. Íå îçíà÷àåò ëè ýòî, ÷òî íà äàëüíèõ ïîäñòóïàõ ê Ñîëíöó åñòü ãèãàíòñêèé êîìåòíûé ðåçåðâóàð, êîòîðûé âðåìÿ îò âðåìåíè ïîä âîçäåéñòâèåì êàêèõ-òî ôàêòîðîâ ïîñòàâëÿåò êîìåòû ê Ñîëíöó íà ðàäîñòü çåìíûì íàáëþäàòåëÿì? Ýòîò ãèïîòåòè÷åñêèé ðåçåðâóàð êîìåò íàçûâàþò òåïåðü îáëàêîì Îîðòà. Òðèëëèîíû õîëîäíûõ êîìåòíûõ ÿäåð äîëæíû çàïîëíÿòü ýòó ñôåðè÷åñêóþ îáëàñòü äèàìåòðîì îêîëî ïàðñåêà. Åñëè áû ìû ïðîâåëè ãðàíèöó Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ïî ïåðèìåòðó îáëàêà Îîðòà è åñëè áû ïîõîæåå îáëàêî áûëî ó á Êåíòàâðà, òî ìîæíî áûëî áû ñìåëî ñêàçàòü, ÷òî ïëàíåòíûå ñèñòåìû Ñîëíöà è á Êåíòàâðà ïî÷òè ñîïðèêàñàþòñÿ! Ïðàâäà, íè ïëàíåòíîé ñèñòåìû, íè êîìåòíîãî îáëàêà ó á Êåíòàâðà, ïî-âèäèìîìó, íåò, äà è ïðîâîäèòü ãðàíèöó Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ïî îáëàêó Îîðòà òîæå íå ñîâñåì ÷åñòíî. Åãî ìàñøòàáû íàìíîãî ïðåâûøàþò ðàçìåð ëþáîãî ïðîòîïëàíåòíîãî äèñ-
144
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè
Ðèñ. 4.19. Íàáëþäàòü ñî ñòîðîíû ãåëèîñôåðó ìû ïîêà íå ìîæåì, çàòî ìîæíî íàáëþäàòü àñòðîñôåðû äðóãèõ çâåçä. Íà ýòîì ñíèìêå õîðîøî âèäíà ãðàíèöà «ïóçûðÿ», âûäóâàåìîãî â ìåæçâåçäíîì ãàçå Òóìàííîñòè Îðèîíà çâåçäîé LL Îðèîíà. Ôîòî: «Õàááë» (NASA, ESA).
êà. Òàê ÷òî êîìåòû, âåðîÿòíî, áûëè âûòîëêíóòû â îáëàêî Îîðòà óæå ïîñëå ðîæäåíèÿ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû, êîãäà â íåé ñôîðìèðîâàëèñü ìàññèâíûå ïëàíåòû è ñâîèì ãðàâèòàöèîííûì âëèÿíèåì ñòàëè ðàñ÷èùàòü ïðîñòðàíñòâî îò «ìóñîðà». Âåðîÿòíî, íàèáîëåå åñòåñòâåííîé ãðàíèöåé Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ñëåäóåò ïðèçíàòü ãðàíèöó ãåëèîñôåðû — ãèãàíòñêîãî «ïóçûðÿ», âûäóâàåìîãî â ìåæçâåçäíîì ãàçå ñîëíå÷íûì âåòðîì. Ñ íàâåòðåííîé ñòîðîíû (ïðèìåðíî â íàïðàâëåíèè ñîçâåçäèÿ Çìååíîñåö) îíà ïðîñòèðàåòñÿ ïðèìåðíî íà 100 à. å., ñ ïîäâåòðåííîé — â äâà ðàçà äàëüøå. Ïîãðàíè÷íûé ñëîé ìåæäó ìåæçâåçäíîé ñðåäîé è ãåëèîñôåðîé íàçûâàåòñÿ ãåëèîïàóçîé, è â íåì ñåé÷àñ íàõîäÿòñÿ ñðàçó äâà ôóíêöèîíèðóþùèõ àïïàðàòà, «Âîÿäæåð-1» è «Âîÿäæåð-2», çàïóùåííûå NASA â 1977 ã. Ñ 2005 ã. íàáëþäàëèñü ïðèçíàêè ïðèáëèæåíèÿ ýòèõ àïïàðàòîâ ê ãåëèîïàóçå, à â 2012 ã. «Âîÿäæåð-1» äîñòèã åå íà ðàññòîÿíèè 120 à. å. îò Ñîëíöà. Âîçìîæ-
4.7. Íà ãðàíèöå Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû
145
íî, ê 2014 ã. «Âîÿäæåðû» âûéäóò â ìåæçâåçäíóþ ñðåäó. Òàê ÷òî ó çåìëÿí åñòü äâà àïïàðàòà, êîòîðûå (ñ áîëüøîé íàòÿæêîé) óæå ìîæíî ñ÷èòàòü ìåæçâåçäíûìè çîíäàìè. Ê ñîæàëåíèþ, ôóíêöèîíèðóþùåé àïïàðàòóðû, êîòîðàÿ ïîçâîëèëà áû íåïîñðåäñòâåííî èçó÷àòü ôèçè÷åñêèå óñëîâèÿ â ãåëèîïàóçå è â ìåæçâåçäíîé ñðåäå, íà «Âîÿäæåðàõ» íå îñòàëîñü, è íàì ïðèõîäèòñÿ äîâîëüñòâîâàòüñÿ òîëüêî êîñâåííûìè äàííûìè. Íèêàêèå íîâûå ýêñïåäèöèè, êîòîðûå ïîçâîëèëè áû íåïîñðåäñòâåííî èçó÷èòü äàëüíèå ïîäñòóïû ê Ñîëíå÷íîé ñèñòåìå, ïîêà íå ïëàíèðóþòñÿ. Çîíä «New Horizons» (NASA), çàïóùåííûé â 2006 ã., íàöåëåí èñêëþ÷èòåëüíî íà èçó÷åíèå Ïëóòîíà è ïîÿñà Êîéïåðà. Èññëåäîâàíèå ìåæïëàíåòíîé èëè ìåæçâåçäíîé ñðåäû â ïðîãðàììå åãî ïîëåòà íå çíà÷àòñÿ. Åñòü äâà ïðîåêòà NASA äàëüíèõ êîñìè÷åñêèõ çîíäîâ — «Innovative Interstellar Explorer» è «Interstellar Probe», — êîòîðûå ïîçâîëèëè áû çà ïàðó-òðîéêó äåñÿòêîâ ëåò ïîêðûòü ðàññòîÿíèå â 200–400 à. å., òî åñòü ñ ãàðàíòèåé âûéòè óæå íå â ãåëèîïàóçó, à â ìåæçâåçäíóþ ñðåäó. Íî äëÿ íèõ ïîêà íå íàçâàíà äàæå ïðèáëèçèòåëüíàÿ äàòà çàïóñêà. Ê ñ÷àñòüþ äëÿ èññëåäîâàòåëåé, áàðüåð, âûñòàâëåííûé äëÿ ìåæçâåçäíîé ñðåäû ñîëíå÷íûì âåòðîì, íåèäåàëåí è ïðîïóñêàåò íåêîòîðóþ ÷àñòü ìåæçâåçäíûõ àòîìîâ. Òàê ÷òî èçó÷åíèåì (êîíå÷íî, îãðàíè÷åííûì) ìåæçâåçäíîé ñðåäû ìîæíî çàíèìàòüñÿ äàæå íà îðáèòå Çåìëè. Íàäî ñêàçàòü, ÷òî â ýòè èññëåäîâàíèÿ çíà÷èòåëüíûé âêëàä âíåñëè ñîâåòñêèå êîñìè÷åñêèå àïïàðàòû ñåðèé «Çîíä», «Ïðîãíîç» è «Âåíåðà». Áëàãîäàðÿ èì óäàëîñü óñòàíîâèòü ïàðàìåòðû ãàçà, ÷åðåç êîòîðûé ëåòèò ñåé÷àñ Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà. Îêàçàëîñü, ÷òî â íàñòîÿùèé ìîìåíò ìû íàõîäèìñÿ â ðàçðåæåííîì êîñìè÷åñêîì îáëà÷êå, êîòîðîå àñòðîíîìû ñ ïðèñóùåé èì èçîáðåòàòåëüíîñòüþ íàçâàëè Ìåñòíûì ìåæçâåçäíûì îáëàêîì (ÌÎ; Local Interstellar Cloud, LIC). Îíî èìååò íåïðàâèëüíóþ ôîðìó è ïîïåðå÷íèê îêîëî ïàðñåêà. Ñîëíöå âîøëî â íåãî ïðèìåðíî 100 òûñ. ëåò íàçàä è âûéäåò, âåðîÿòíî, ÷åðåç 10–20 òûñ. ëåò. Ýòî îáëàêî î÷åíü ðàçðåæåíî: â íåì îäèí àòîì â ñðåäíåì ïðèõîäèòñÿ íà îáúåì â 3,5 ñì3, ò. å. åãî ïëîòíîñòü îêîëî 0,3 àòîì/ñì3, èëè êîðî÷å — 0,3 ñì–3, òîãäà êàê ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü ìåæçâåçäíîé ñðåäû â äèñêå Ãàëàêòèêè îêîëî 0,5 ñì–3. Âîçíèêàåò âîïðîñ: ïî÷åìó æå ÌÎ íàçûâàþò îáëàêîì, ò. å. «óïëîòíåíèåì», à íå «ðàçðåæåíèåì»? Äåëî â òîì, ÷òî ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà êðàéíå íåîäíîðîäíà: îñíîâíîé åå îáúåì çàíÿò î÷åíü ðàçðåæåííûì ãîðÿ÷èì ãàçîì ñ ïëîòíîñòüþ ~10–3 ñì–3, à îñíîâíàÿ äîëÿ âåùåñòâà ñîñðåäîòî÷åíà â êîìïàêòíûõ õîëîäíûõ îáëàêàõ ñ ïëîòíîñòüþ ïîðÿäêà 102 ñì–3. ×òîáû îùóòèòü àáñîëþòíûé óðîâåíü ýòèõ öèôð, âñïîìíèì, ÷òî â 1 ñì3 êîìíàòíîãî âîçäóõà ñîäåðæèòñÿ 1019 ìîëåêóë!
146
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè
Ðèñ. 4.20. Òóìàííîñòü LHA 120–N 44, îêðóæàþùàÿ ìîëîäîå çâåçäíîå ñêîïëåíèå NGC 1929 â Áîëüøîì Ìàãåëëàíîâîì Îáëàêå. Ìàññèâíûå çâåçäû ýòîãî ñêîïëåíèÿ ñâîèì çâåçäíûì âåòðîì è âçðûâàìè ñâåðõíîâûõ î÷èñòèëè öåíòðàëüíóþ îáëàñòü îò ãàçà, ñîçäàâ ãîðÿ÷èé ïóçûðü, çàêëþ÷åííûé â áîëåå ïëîòíóþ è õîëîäíóþ îáîëî÷êó ðàçìåðîì 100´77 ïê. Âîçìîæíî, è Ìåñòíûé Ïóçûðü â ìîëîäîñòè âûãëÿäåë òàê æå, íî íå ïîíÿòíî, êóäà ñêðûëèñü ïîðîäèâøèå åãî çâåçäû. Ôîòî: VLT ESO.
Òåìïåðàòóðà ãàçà â ÌÎ ìîæåò ïîêàçàòüñÿ äîâîëüíî âûñîêîé — îêîëî 6000 èëè äàæå 7000 K, — îäíàêî îíà íå èäåò íè â êàêîå ñðàâíåíèå ñ òåìïåðàòóðîé ãàçà, îêðóæàþùåãî ÌÎ. Èññëåäóÿ ëèíèè ïîãëîùåíèÿ ìåæçâåçäíîãî ãàçà â ñïåêòðàõ çâåçä âîêðóã Ñîëíöà, àñòðîíîìû îáíàðóæèëè, ÷òî íà ïðîñòðàíñòâåííûõ ìàñøòàáàõ ïîðÿäêà 100 ïê ÌÎ è åùå íåñêîëüêî ïîõîæèõ îáëà÷êîâ ðÿäîì ñ íèì ïîãðóæåíû â ãàç î÷åíü âûñîêîé òåìïåðàòóðû (îêîëî ìèëëèîíà êåëüâèíîâ!) è êðàéíå íèçêîé ïëîòíîñòè, ìåíåå 0,01 ñì–3. Ýòîò ðåçåðâóàð ãîðÿ÷åãî ãàçà îáû÷íî íàçûâàþò Ìåñòíûì Ïóçûðåì (Local Bubble), õîòÿ íà ñàìîì äåëå ôîðìà ýòîé ãèãàíòñêîé êàâåðíû äîâîëüíî ñëîæíà. Êðîìå òîãî, îíà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íå çàìêíóòîå ïðîñòðàíñòâî, à ñêîðåå òóííåëü èëè òðóáó ñ ðàñøèðÿþùèìèñÿ â îáå ñòîðîíû ãîðëîâèíàìè, íàñêâîçü ïðîíçàþùóþ ãàçîâûé äèñê Ãàëàêòèêè ïîäîáíî òîìó, êàê äûìîõîä êàìèíà ïðîíèçûâàåò äîì.
4.8. Ãàëàêòè÷åñêàÿ ýêîëîãèÿ
147
Ðèñ. 4.21. Ãàëàêòè÷åñêèå ôîíòàíû — âûáðîñû ãîðÿ÷åãî ðàçðåæåííîãî ãàçà èç ïóçûðåé, âîçíèêàþùèõ âîêðóã îáëàñòåé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ.
Ïðè÷èíû âîçíèêíîâåíèÿ Ìåñòíîãî Ïóçûðÿ ïîêà íåÿñíû. Ïîñêîëüêó îí ïîõîæ íà óæå óïîìèíàâøèåñÿ ñâåðõîáîëî÷êè, åãî ïðîèñõîæäåíèå åñòåñòâåííî ñâÿçàòü ñî âñïûøêîé ñâåðõíîâîé èëè íåñêîëüêèõ ñâåðõíîâûõ. Ïîõîæèé ïóçûðü ìîãëà áû âûäóòü â ìåæçâåçäíîé ñðåäå âñïûøêà, ñëó÷èâøàÿñÿ íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ëåò íàçàä. Èíòåðåñíî, ÷òî íà âîçìîæíûé áëèçêèé âçðûâ ñâåðõíîâîé, ïðîèçîøåäøèé 1–2 ìëí ëåò íàçàä, óêàçûâàåò è çíà÷èòåëüíîå êîëè÷åñòâî ðàäèîàêòèâíîãî æåëåçà-60, íàéäåííîå â îñàäî÷íûõ ïîðîäàõ ýòîãî âîçðàñòà. Íî âñïûøêè ñâåðõíîâûõ íå ïðîèñõîäÿò íà ïóñòîì ìåñòå, à â îêðåñòíîñòÿõ Ñîëíöà íåò íè îäíîé àññîöèàöèè è íè îäíîãî ñêîïëåíèÿ, â êîòîðîì ìîãëà áû îáèòàòü äî âñïûøêè çâåçäà-ïðåäøåñòâåííèöà. Êàê óæå ãîâîðèëîñü, áëèæàéøåå ê íàì ìåñòî îáèòàíèÿ ìîëîäûõ ìàññèâíûõ çâåçä — ýòî àññîöèàöèÿ Ñêîðïèîíà—Êåíòàâðà, íî ðàññòîÿíèå äî íåå áîëåå 100 ïê, ê òîìó æå ñåé÷àñ îíà íàõîäèòñÿ çà ïðåäåëàìè Ìåñòíîãî Ïóçûðÿ (ïîäðîáíåå ñì. â ãëàâå 5). Òàê èëè èíà÷å, ïðèõîäèòñÿ ïðèçíàòü, ÷òî â ïîñëåäíèå äåñÿòêè ìèëëèîíîâ ëåò âáëèçè òåïåðåøíåãî ïîëîæåíèÿ Ñîëíöà ïðîèñõîäèëî íåìàëî äðàìàòè÷åñêèõ, åñëè íå ñêàçàòü êàòàñòðîôè÷åñêèõ, ñîáûòèé. Íå óãðîæàåò ëè íàì ñòîëü æå áåñïîêîéíîå áóäóùåå?
4.8. Ãàëàêòè÷åñêàÿ ýêîëîãèÿ Êîñìîñ êàæåòñÿ íàì áåñêîíå÷íî äàëåêèì è áåñêîíå÷íî îòñòðàíåííûì îò æèçíè ÷åëîâå÷åñòâà. È òåì íå ìåíåå áûëî áû ãëóáîêîé îøèáêîé ðàññìàòðèâàòü ýâîëþöèþ Çåìëè è âñåé Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû â îòðûâå îò ýâîëþöèè Ãàëàêòèêè. Äà, ïîñëåäíèå íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ëåò ìû ñïîêîéíî ïëûâåì ñêâîçü ïóñòîòó Ìåñòíîãî Ïóçûðÿ, íå âñòðå÷àÿ ñêîëüêî-íèáóäü çíà÷èòåëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ìåæçâåçäíîãî ãàçà, íàäåæíî çàùèùåííûå îò êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé ùèòàìè ãåëèîñôåðû, ãåîñôåðû è àòìîñôåðû, îêðóæåííûå ñêó÷íûìè, íî çàòî ñîâåðøåííî áåçî-
148
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè
ïàñíûìè ñîñåäÿìè-çâåçäàìè. Òåì íå ìåíåå â Ãàëàêòèêå èìååòñÿ íåñêîëüêî ôàêòîðîâ, ñïîñîáíûõ ñåðüåçíî íàðóøèòü ýòî áëàãîäåíñòâèå. Ðàçóìååòñÿ, íàì íå ïîçäîðîâèòñÿ, åñëè ðÿäîì âñïûõíåò ñâåðõíîâàÿ. Îäíàêî ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò: ÷òîáû ðàçëåòàþùàÿñÿ îáîëî÷êà ñìîãëà ïðîäàâèòü ãåëèîñôåðó äî îðáèòû Çåìëè, âçðûâ äîëæåí ïðîèçîéòè î÷åíü áëèçêî, íå äàëüøå íåñêîëüêèõ ïàðñåêîâ îò íàñ. Óâåëè÷åíèå ïîòîêà êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé, ñâÿçàííîå ñî âñïûøêîé, îêàæåòñÿ íåáåçîïàñíûì íà çíà÷èòåëüíûõ ðàññòîÿíèÿõ, ïîðÿäêà 20–30 ïê. Âëèÿíèå êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé áóäåò êàê ìèíèìóì äâîÿêèì: îíè ñïîñîáíû ðàçðóøèòü îçîíîâûé ñëîé àòìîñôåðû, çàùèùàþùèé íàñ îò óëüòðàôèîëåòîâîãî èçëó÷åíèÿ Ñîëíöà, è ïîâûñèòü ýôôåêòèâíîñòü îáðàçîâàíèÿ îáëà÷íîãî ïîêðîâà, ÷òî ïðèâåäåò ê îñòûâàíèþ àòìîñôåðû. Íî ñ ýòîé ñòîðîíû íàì áåñïîêîèòüñÿ íå ñòîèò: ñáëèæåíèå íè ñ êàêîé ïîòåíöèàëüíîé ñâåðõíîâîé íàì â îáîçðèìîì áóäóùåì íå ãðîçèò. Íà ïðèìåòå ó àñòðîíîìîâ ëèøü êðàñíûé ñâåðõãèãàíò Áåòåëüãåéçå, êîòîðîìó ïðåäñòîèò âçîðâàòüñÿ â áëèæàéøèé ìèëëèîí ëåò, íî ðàññòîÿíèå äî íåãî îêîëî 200 ïê. Êîíå÷íî, ïîòîê êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé ìîæåò âîçðàñòè íå òîëüêî èç-çà áëèçêîé âñïûøêè ñâåðõíîâîé. Åñòü èññëåäîâàíèÿ, àâòîðû êîòîðûõ ïûòàþòñÿ íàéòè ïåðèîäè÷íîñòü â ýâîëþöèè çåìíîé áèîñôåðû, â ÷àñòíîñòè ïåðèîäè÷íîñòü ìàññîâûõ âûìèðàíèé, è ñâÿçàòü èõ ñ ïåðèîäè÷íîñòüþ óñèëåíèÿ ïîòîêà êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé, ïàäàþùèõ íà Çåìëþ. Òàêàÿ ïåðèîäè÷íîñòü ìîæåò âîçíèêàòü ïðè ïðîõîæäåíèè Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ñêâîçü îáëàñòè ñ ïîâûøåííîé ïëîòíîñòüþ êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé — ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ èëè ïëîñêîñòè ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà. Êàêèå-òî êîððåëÿöèè ìåæäó ðàçâèòèåì áèîñôåðû è êîñìè÷åñêèìè ëó÷àìè êàê áóäòî îáíàðóæèâàþòñÿ, íî ñêîëüêî-íèáóäü øèðîêîãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ ýòà ãèïîòåçà ïîêà íå ïîëó÷èëà. Ïðè ïðîëåòå Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ÷åðåç îáëàñòè ñ ïîâûøåííîé çâåçäíîé ïëîòíîñòüþ íàñ ïîäñòåðåãàåò åùå îäíà îïàñíîñòü. Ó÷àñòèâøèåñÿ ñáëèæåíèÿ ñî çâåçäàìè áóäóò âîçìóùàòü îáëàêî Îîðòà, ÷òî ïðèâåäåò ê óñèëåíèþ êîìåòíîé áîìáàðäèðîâêè â öåíòðàëüíîé îáëàñòè Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû, â òîì ÷èñëå è íà Çåìëå. Íàêîíåö, íå íóæíî çàáûâàòü, ÷òî Ìåñòíûé Ïóçûðü íå áåñêîíå÷åí, è ìû ðàíî èëè ïîçäíî ïîäëåòèì ê åãî ñòåíêå. Âõîæäåíèå â ïëîòíóþ ìåæçâåçäíóþ ñðåäó âûçîâåò ñæàòèå ãåëèîñôåðû, ÷òî îïÿòü æå óñèëèò âîçäåéñòâèå êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé íà Çåìëþ. Êðîìå òîãî, íåïîñðåäñòâåííîå âûïàäåíèå ìåæçâåçäíîãî âåùåñòâà â àòìîñôåðó Çåìëè òàêæå ïðèâåäåò ê íåæåëàòåëüíûì ïîñëåäñòâèÿì. Ìåæçâåçäíàÿ ïûëü ïîâûñèò íåïðîçðà÷íîñòü çåìíîé àòìîñôåðû, âûçâàâ ýôôåêò, ñõîæèé ñ
4.8. Ãàëàêòè÷åñêàÿ ýêîëîãèÿ
149
ýôôåêòîì «ÿäåðíîé çèìû». Ìåæçâåçäíûé âîäîðîä (à ìåæçâåçäíûé ãàç — ýòî, ïî ñóòè, âîäîðîä ñ íåáîëüøîé ïðèìåñüþ ãåëèÿ è íè÷òîæíî ìàëûì êîëè÷åñòâîì äðóãèõ ýëåìåíòîâ) íà÷íåò âñòóïàòü â ðåàêöèþ ñ àòìîñôåðíûì êèñëîðîäîì, ïðåâðàùàÿñü â âîäó. Âîäà áóäåò âûïàäàòü íà ïîâåðõíîñòü Çåìëè â âèäå äîæäÿ, à çåìíàÿ àòìîñôåðà áóäåò ïðè ýòîì òåðÿòü êèñëîðîä… Ïðàâäà, èññëåäîâàòåëè óòåøàþò: ÷òîáû â ðåçóëüòàòå ýòîãî ïðîöåññà êèñëîðîä èç çåìíîé àòìîñôåðû èñ÷åç ïîëíîñòüþ, Çåìëÿ äîëæíà ïîïàñòü â îáëàêî, ïëîòíîñòü è ðàçìåð êîòîðîãî ñóùåñòâåííî ïðåâûøàþò ñîîòâåòñòâóþùèå ïàðàìåòðû ëþáûõ ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ â íàøåé Ãàëàêòèêå.  öåëîì ñëèøêîì óæ îïàñàòüñÿ Êîñìîñà, íàâåðíîå, íå ñòîèò.  êîíöå êîíöîâ, Ñîëíöå ñ ïëàíåòàìè ñòðàíñòâóåò ïî Ìëå÷íîìó Ïóòè óæå áåç ìàëîãî ïÿòü ìèëëèàðäîâ ëåò, ñîâåðøèâ çà ýòî âðåìÿ áîëåå äâàäöàòè îáîðîòîâ âîêðóã ãàëàêòè÷åñêîãî öåíòðà. Íàâåðíÿêà íà ýòîì äîëãîì ïóòè Ñîëíå÷íîé ñèñòåìå âñòðå÷àëîñü âñÿêîå: âçðûâàëèñü ñâåðõíîâûå, ïðîëåòàëè â îïàñíîé áëèçîñòè çâåçäû, òåìíîé ïåëåíîé âñòàâàëè íà ïóòè ãàçîâî-ïûëåâûå îáëàêà… È âñå ýòî âðåìÿ íà Çåìëå ìåäëåííî, íî óâåðåííî ðàçâèâàëàñü æèçíü, êîòîðîé íå ïîìåøàëè íè êîìåòû, íè êîñìè÷åñêèå ëó÷è, íè äàæå êàòàñòðîôà, ïðèâåäøàÿ ê îáðàçîâàíèþ Ïîÿñà Ãóëäà. È åñëè ìû óáåðåæåì íàø òåïåðåøíèé äîì — Çåìëþ — îò ñàìèõ ñåáÿ, òî îäíàæäû ïîíÿòíûì è óþòíûì äîìîì äëÿ íàñ ñòàíåò âñÿ Ãàëàêòèêà. È òîãäà åå èññëåäîâàíèå áóäåò íå áîëåå ÷åì îáû÷íûì êðàåâåäåíèåì, à çàíèìàòüñÿ èì áóäåì ìû — ìåñòíîå íàñåëåíèå, äëÿ êîòîðîãî Ãàëàêòèêà — êðàé ðîäíîé.
Ëèòåðàòóðà Áî÷êàðåâ Í. Ã. Ìåñòíàÿ ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà. Ì.: Íàóêà, 1990. Åðåìååâà À. È. Âñåëåííàÿ Ãåðøåëÿ. Ì.: Íàóêà, 1966. Óèòíè ×. Îòêðûòèå íàøåé Ãàëàêòèêè. Ì.: Ìèð, 1975. Ñòðóâå Î., Çåáåðãñ Â. Àñòðîíîìèÿ XX âåêà. Ì.: Ìèð,1968. Ëåéçåð Ä. Ñîçäàâàÿ êàðòèíó Âñåëåííîé. Ì.: Ìèð, 1988. De Zeeuw P. T., Hoogerwerf R., de Bruijne J. H. J., Brown A. G. A., Blaauw A. Gould Belt // Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics. Paul Murdin, ed. London: Institute of Physics Publishing Ltd and Nature Publishing Group, 2001.
5. Äâèæóùèåñÿ ãðóïïû çâåçä
Ãëàâà
ÄÂÈÆÓÙÈÅÑß ÃÐÓÏÏÛ ÇÂÅÇÄ: ÃÀËÀÊÒÈ×ÅÑÊÈÉ ÂÇÃËßÄ ÍÀ ÇÅÌÍÛÅ ÑÎÇÂÅÇÄÈß À. È. Äüÿ÷åíêî
íîãèå âåêà ëþäè âèäÿò çâåçäû íà íåáå â îäíèõ è òåõ æå, ïî÷òè íå ìåíÿþùèõñÿ êîíôèãóðàöèÿõ. Åùå â äðåâíîñòè èõ îáúåäèíèëè â ñîçâåçäèÿ, êîòîðûå ñòàëè íàñòîëüêî ïðèâû÷íûìè, ÷òî ìûñëü î ðîäñòâå çâåçä â ïðåäåëàõ îäíîãî ñîçâåçäèÿ êàæåòñÿ íàì âïîëíå ðàçóìíîé. Ñâåòèëà æå, íàõîäÿùèåñÿ â ïðîòèâîïîëîæíûõ êîíöàõ íåáîñâîäà, åäâà ëè êîìó-íèáóäü ïðèäåò â ãîëîâó íàçâàòü «åäèíîóòðîáíîé ðîäíåé». Íî, îêàçûâàåòñÿ, çäåñü çåìíàÿ ëîãèêà íàñ ïîäâîäèò. Åñëè ïîäíÿòüñÿ íàä Ãàëàêòèêîé è èçìåðÿòü âðåìÿ ìèëëèîíàìè ëåò, òî âûÿâèòñÿ èñòèííîå ðîäñòâî íî÷íûõ ñâåòèë è èëëþçèÿ «íåèçìåííûõ» ñîçâåçäèé ðàñïàäåòñÿ â ïûëü. Îäíèì èç ïåðâûõ, êòî ñòîëü íåïðèâû÷íî âçãëÿíóë íà çâåçäû, áûë àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì Îëèí Ýããåí (Olin Jeuck Eggen, 1919–1998).
Ì
5.1. Çâåçäà-ñêîðîõîä Ñóùåñòâóåò äðåâíåå, ïðîâåðåííîå âðåìåíåì ñðåäñòâî îò äîëãîé ðàçëóêè. Äëÿ ýòîãî ðàññòàþùèåñÿ äîëæíû âûáðàòü íà íåáå çâåçäó è êàæäûé âå÷åð â óñëîâëåííîå âðåìÿ îáðàùàòü ê íåé ñâîé âçîð. Çíàòü, ÷òî áëèçêèé òåáå ÷åëîâåê ñìîòðèò ñåé÷àñ íà òó æå çâåçäó, — ïîâåðüòå, î÷åíü ñèëüíîå ÷óâñòâî, ïî÷òè ïðèêîñíîâåíèå. Ñðåäñòâî ýòî áûëî ïðîâåðåíî ìíîþ â àâãóñòå 2002 ã., ïðè÷åì â êà÷åñòâå ïîñðåäíèêà ìû ñ æåíîé âûáðàëè îðàíæåâûé Àðêòóð — á Âîëîïàñà, êîòîðûé ëåãêî íàéòè íà íåáå â ýòî âðåìÿ ãîäà íàä çàïàäíûì ãîðèçîíòîì. Ê ìîìåíòó âîçâðàùåíèÿ äîìîé ó ìåíÿ ïî âïîëíå ïîíÿòíûì ïðè÷èíàì ñëîæèëîñü îñîáîå îòíîøåíèå ê ýòîé çâåçäå. Çàõîòåëîñü óçíàòü î íåé ÷óòî÷êó áîëüøå, ÷åì ñîîáùàåò åå äðåâíåãðå÷åñêîå èìÿ Àðêòóð — «ñòðàæ ìåäâåäÿ» (ïî-ãðå÷åñêè àðêòîñ — ìåäâåäü). Íà÷àë ÷èòàòü è… ïîòðÿñåííûé, ñî ñëåäóþùåãî âå÷åðà ñìîòðåë íà ýòó çâåçäó
5.1. Çâåçäà-ñêîðîõîä
151
óæå ñîâñåì äðóãèìè ãëàçàìè. À íà÷àëîñü âñå ñ îäíîãî ìàëåíüêîãî ôàêòà: îêàçàëîñü, ÷òî Àðêòóð íåîáû÷íî áûñòðî ïåðåìåùàåòñÿ ïî íåáîñâîäó. Áûñòðî äâèæóùèåñÿ çâåçäû — ÿâëåíèå õîðîøî èçâåñòíîå àñòðîíîìàì è äàæå ëþáèòåëÿì ýòîé íàóêè. Êòî, ê ïðèìåðó, íå ñëûøàë î çíàìåíèòîé çâåçäå Áàðíàðäà èç ñîçâåçäèÿ Çìååíîñåö, êîòîðàÿ ì÷èòñÿ ïî íåáó îòíîñèòåëüíî ñîñåäíèõ çâåçä ñî ñêîðîñòüþ îêîëî 10² â ãîä? Åå òàê è íàçûâàþò — Ëåòÿùàÿ. Åñëè áû â äåòñòâå ìû ñìîãëè çàìåòèòü åå ïîëîæåíèå îòíîñèòåëüíî ñîñåäåé, òî, âûéäÿ íà ïåíñèþ, áåç òðóäà îòìåòèëè áû åå ïåðåìåùåíèå. Íî, ê ñîæàëåíèþ, áåç òåëåñêîïà ýòî ñäåëàòü íåâîçìîæíî: Ëåòÿùàÿ çâåçäà Áàðíàðäà — êðàñíûé êàðëèê ñî ñâåòèìîñòüþ â 2000 ðàç ìåíüøå, ÷åì ó Ñîëíöà; ýòî ìàëåíüêîå õîëîäíîå ñâåòèëî, êîòîðîå, íåñìîòðÿ íà ñâîþ áëèçîñòü ê íàì (6 ñâ. ëåò), âñå ðàâíî íåäîñòóïíî íåâîîðóæåííîìó ãëàçó. À âîò Àðêòóð, õîòÿ îí òîæå êðàñíûé, íî çàòî ãèãàíò! Ñâîþ ðàçìåðåííóþ æèçíü íà ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè îí óæå îêîí÷èë. Ñâåòèìîñòüþ îí áîëåå ÷åì â ñîòíþ ðàç ïðåâîñõîäèò Ñîëíöå. Èìåííî ïîýòîìó Àðêòóð, ðàññòîÿíèå äî êîòîðîãî 11,2 ïê (36,7 ñâ. ëåò), — îäíà èç ÿð÷àéøèõ çâåçä íàøåãî íåáà. Âñå ýòî — èçâåñòíûå ôàêòû, êîòîðûå íè÷åì îñîáåííî íå âûäåëÿþò Àðêòóð íà ôîíå îñòàëüíûõ çâåçä íåáîñâîäà, ãäå êðàñíûõ ãèãàíòîâ ðàçíîãî êàëèáðà äàæå íåâîîðóæåííûì ãëàçîì ìîæíî óâèäåòü âåëèêîå ìíîæåñòâî. Íî åñòü «íîìèíàöèÿ», â êîòîðîé Àðêòóð îêàçàëñÿ â ÷èñëå ÷åìïèîíîâ: ñðåäè ÿð÷àéøèõ çâåçä îí çàíèìàåò âòîðîå ìåñòî ïîñëå á Êåíòàâðà ïî âåëè÷èíå ñîáñòâåííîãî äâèæåíèÿ ïî íåáó, ïåðåìåùàÿñü íà 2,3² â ãîä! Ñ Àëüôîé Êåíòàâðà âñå ïîíÿòíî: ðàññòîÿíèå äî íåå âñåãî 4 ñâ. ãîäà, ïîýòîìó åå 3,7² â ãîä îáÿçàíû âåñüìà óìåðåííîé ïðîñòðàíñòâåííîé ñêîðîñòè ýòîé çâåçäû îòíîñèòåëüíî Ñîëíöà, âñåãî 32 êì/ñ. À âîò Àðêòóð, êîòîðûé â äåâÿòü ðàç äàëüøå, äåéñòâèòåëüíî ì÷èòñÿ: åãî ñêîðîñòü îòíîñèòåëüíî Ñîëíöà 122 êì/ñ! Âïåðâûå áûñòðîå ïåðåìåùåíèå Àðêòóðà îòíîñèòåëüíî ñîñåäíèõ çâåçä çàìåòèë Ýäìîíä Ãàëëåé åùå â 1718 ã. Ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî Àðêòóð — ìèìîëåòíûé ãîñòü â ñåìüå íàøèõ ñîçâåçäèé. Ñåé÷àñ îí êàê ðàç îêàçàëñÿ ïî÷òè íà ìèíèìàëüíîì ðàññòîÿíèè îò Ñîëíöà (îòñþäà åãî î÷åíü ìàëåíüêàÿ ðàäèàëüíàÿ ñêîðîñòü, âñåãî –5 êì/ñ). Ýòîò ãèãàíò ïîÿâèëñÿ íà íàøåì íåáå âñåãî ïîëìèëëèîíà ëåò íàçàä. Ðàííèå íåàíäåðòàëüöû âèäåëè åãî êàê ðÿäîâóþ çâåçäî÷êó â ñîçâåçäèè Äðàêîí, à ÷åðåç 20 òûñÿ÷ ëåò Àðêòóð óæå «ïîëó÷èò ïðîïèñêó» â Äåâå. Åùå ÷åðåç ïîëìèëëèîíà ëåò äëÿ íåâîîðóæåííîãî ãëàçà îí ñêðîåòñÿ èç âèäó íàâñåãäà.
152
Ãëàâà 5. Äâèæóùèåñÿ ãðóïïû çâåçä
È âñå æå áûñòðîå äâèæåíèå — íå ñàìàÿ æãó÷àÿ òàéíà ýòîãî ñòðåìèòåëüíî ïðîëåòàþùåãî ÷åðåç íàø óãîëîê Ãàëàêòèêè çâåçäíîãî ñòðàííèêà. Ãëàâíàÿ åãî òàéíà âïåðåäè.
5.2. Ëåòÿùèå ãðóïïû Ýããåíà Áîëüøèíñòâî àñòðîíîìîâ XX â. ïðèøëî â íàóêó ñòàíäàðòíûì ïóòåì: øêîëà, óíèâåðñèòåò è çàòåì ñðàçó ïîãðóæåíèå â ñðåäó ïðîôåññèîíàëüíûõ ó÷åíûõ. Ó àìåðèêàíöà Îëèíà Ýããåíà ýòîò ïóòü îêàçàëñÿ ãîðàçäî áîëåå äëèííûì è ýêñöåíòðè÷íûì. Îí ðîäèëñÿ íà ôåðìå â ìåñòå÷êå Ðîê-Êàóíòè (øò. Âèñêîíñèí) â ñåìüå ñ íîðâåæñêèìè, íåìåöêèìè è àíãëèéñêèìè êîðíÿìè. Òðóäíîñòè, âñòàâøèå â 1920–1930-å ãã. ïåðåä ôåðìåðàìè ÑØÀ, â ðàâíîé ñòåïåíè ëåãëè è íà ïëå÷è ðîäèòåëåé, è íà ïëå÷è äåòåé, à Îëèí áûë ñòàðøèì èç òðåõ.  êëàññå, ãäå îí ó÷èëñÿ, äî êîíöà îáó÷åíèÿ äîøëî âñåãî 14 ÷åëîâåê. «Äåâèçîì íàøåãî êëàññà, — âñïîìèíàåò Îëèí, — áûëè ñëîâà „Íàñòîé÷èâîñòü ïðåîäîëåâàåò âñ¸“.  óñëîâèÿõ Âåëèêîé äåïðåññèè, êîãäà ìíîãèå äåòè íå ìîãëè ïîëó÷èòü äàæå ñðåäíåãî îáðàçîâàíèÿ, ýòîò äåâèç áûë î÷åíü àêòóàëåí». Îêîí÷èâ â 1940 ã. Âèñêîíñèíñêèé óíèâåðñèòåò, Îëèí íà÷èíàåò ñâîþ êàðüåðó êàê… îôèöèàíò, çàòåì áàðìåí è äàæå ïèàíèñò â íî÷íîì êëóáå. Âòîðàÿ ìèðîâàÿ âîéíà êðóòî èçìåíèëà åãî æèçíü. Îëèíà ïðèãëàøàþò íà ðàáîòó â Áþðî ñòðàòåãè÷åñêèõ ñëóæá, è îí îòïðàâëÿåòñÿ â êà÷åñòâå òàéíîãî àãåíòà â Ãåðìàíèþ, âûäàâàÿ ñåáÿ çà òîðãîâöà ïîäøèïíèêàìè. Ïîñëå îêîí÷àíèÿ âîéíû ïî ìèðó ñòàëè ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ íàó÷íîôàíòàñòè÷åñêèå ðîìàíû íèêîìó íå èçâåñòíîãî àâòîðà Íèëî Íåããý… Äàæå åñëè áû êîìó-òî â òó ïîðó ïðèøëî â ãîëîâó ïðî÷èòàòü ýòî èìÿ ñïðàâà íàëåâî, âðÿä ëè îíî ïîêàçàëîñü áû çíàêîìûì. Ïðåðâàâ êàðüåðó âîåííîãî â ÷èíå êàïèòàíà è âåðíóâøèñü â 1948 ã. äîìîé â Âèñêîíñèí, Ðèñ. 5.1. Àñòðîíîì Îëèí Ýããåí. Ñíèìîê ñäåëàí ìåæäó 1966 è 1977 ãã., êîãäà Îëèí íàêîíåö çàùèùàåò äèññåðÎëèí âîçãëàâëÿë îáñåðâàòîðèþ Ìàóíò- òàöèþ, ïîëó÷àåò ó÷åíóþ ñòåïåíü è íàõîäèò äîëæíîñòü àññèñòåíòà Ñòðîìëî (Àâñòðàëèÿ).
5.2. Ëåòÿùèå ãðóïïû Ýããåíà
153
Ðèñ. 5.2. Îëèí Ýããåí ó 20-äþéìîâîãî òåëåñêîïà Ãðèíâè÷ñêîé îáñåðâàòîðèè (1950-å ãã.).
â Ëèêñêîé îáñåðâàòîðèè (Êàëèôîðíèÿ). Òàì îí â ñîâåðøåíñòâå îñâàèâàåò ôîòîìåòðèþ ñ èñïîëüçîâàíèåì ðàçðàáîòàííûõ åùå âî âðåìÿ âîéíû ôîòîóìíîæèòåëåé (ÔÝÓ), êîòîðûå äåñÿòèêðàòíî ïîâûñèëè òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ áëåñêà çâåçä è äîâåëè åå äî 1%.  äàëüíåéøåì ñðåäè àñòðîíîìîâ àâòîðèòåò Ýããåíà êàê âèðòóîçíîãî íàáëþäàòåëÿ íèêîãäà íå ïîäâåðãàëñÿ ñîìíåíèþ. Íî åãî êàðüåðà áûëà îòíþäü íå ãëàäêîé. Âîò åå îñíîâíûå ýòàïû: ãëàâíûé àññèñòåíò Ãðèíâè÷ñêîé îáñåðâàòîðèè â Àíãëèè (1956–1961), ïðîôåññîð àñòðîíîìèè Êàëèôîðíèéñêîãî òåõíîëîãè÷åñêîãî èíñòèòóòà è àñòðîíîì-íàáëþäàòåëü íà îáñåðâàòîðèè Ìàóíò-Âèëñîí (1961–1966), äèðåêòîð ãîðÿ÷î ëþáèìîé èì îá-
154
Ãëàâà 5. Äâèæóùèåñÿ ãðóïïû çâåçä
ñåðâàòîðèè Ìàóíò-Ñòðîìëî â Àâñòðàëèè (1966–1977) è, íàêîíåö, àñòðîíîì-íàáëþäàòåëü Ìåæàìåðèêàíñêîé îáñåðâàòîðèè Ñåððî-Òîëîëî â ×èëè (1977–1998). Îäíàæäû Îëèí ïðèçíàëñÿ: «Íà ñàìîì äåëå ÿ âñåãäà íåíàâèäåë íàáëþäàòü — ïðîâåñòè âñþ íî÷ü â òåìíîé è õîëîäíîé áàøíå! Áð-ð-ð…» Íî íà âîïðîñ, ïî÷åìó îí íå ïîðó÷èë ýòî êîìó-íèáóäü èç ñâîèõ àññèñòåíòîâ, Îëèí ñ óëûáêîé îòâåòèë: «Ïðîñòî ÿ íå çíàþ ÷åëîâåêà, êîòîðûé ìîã áû ïîëó÷èòü äàííûå ñ äîñòàòî÷íîé äëÿ ìåíÿ òî÷íîñòüþ». È ýòî íå áûëî áàõâàëüñòâîì: ìàñòåðñòâî Îëèíà â ðàáîòå ñ ôîòîóìíîæèòåëÿìè è äðóãîé àñòðîíîìè÷åñêîé òåõíèêîé áûëî îáùåïðèçíàííûì.  ïàìÿòíîé ðå÷è, ñðàçó ïîñëå óõîäà Îëèíà èç æèçíè, îäèí èç åãî êîëëåã ïî Ìåæàìåðèêàíñêîé îáñåðâàòîðèè ïðèçíàëñÿ: «Êîãäà ÿ âïåðâûå ïðèáûë ñþäà â 1980 ã. äëÿ ïðîâåäåíèÿ ôîòîýëåêòðè÷åñêèõ èçìåðåíèé íà 60-äþéìîâîì òåëåñêîïå è óçíàë, ÷òî ìåíÿ áóäåò èíñòðóêòèðîâàòü ñàì Ýããåí, ó ìåíÿ çàäðîæàëè êîëåíêè». Ïîäâîäÿ èòîã ñâîåé 50-ëåòíåé àñòðîíîìè÷åñêîé êàðüåðû, Îëèí îïóáëèêîâàë ìåìóàðû ïîä íàçâàíèåì «Life in the Dark». Íàèáîëüøóþ èçâåñòíîñòü Ýããåíó ïðèíåñëà åãî ñîâìåñòíàÿ ñòàòüÿ ñ àíãëèéñêèì òåîðåòèêîì Äîíàëüäîì Ëèíäåí-Áåëëîì è àìåðèêàíñêèì àñòðîíîìîì Àëëàíîì Ñýíäèäæåì, ïîñâÿùåííàÿ òåîðèè ôîðìèðîâàíèÿ Ãàëàêòèêè (Eggen et al. 1962). Âêëàä Ýããåíà â ýòó ðàáîòó ñîñòîÿë â ïîëó÷åíèè äàííûõ î äâèæåíèè 221 ìàëîìàññèâíîé çâåçäû, ñðåäè êîòîðûõ ìíîãèå «ïîìíÿò» ýïîõó ðîæäåíèÿ è ðàííåé äèíàìè÷åñêîé ýâîëþöèè Ãàëàêòèêè. Âû÷èñëèâ ãàëàêòè÷åñêèå îðáèòû ýòèõ çâåçä, àâòîðû ñòàòüè îáíàðóæèëè, ÷òî ÷åì ìåíüøå ñîäåðæàíèå òÿæåëûõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ â àòìîñôåðå çâåçäû (ò. å. ÷åì îíà ñòàðøå), òåì áîëüøå ýêñöåíòðèñèòåò åå îðáèòû è òåì âûøå íàä ïëîñêîñòüþ Ãàëàêòèêè îíà ïîäíèìàåòñÿ. Íà ýòîì îñíîâàíèè àâòîðû ñäåëàëè âûâîä, ÷òî Ãàëàêòèêà ôîðìèðîâàëàñü â õîäå áûñòðîãî (~108 ëåò) ñæàòèÿ ïðîòîãàëàêòè÷åñêîãî ãàçîâîãî îáëàêà. Ýòà ñòàòüÿ âêëþ÷åíà â ñïèñîê 100 íàèáîëåå çíà÷èìûõ àñòðîíîìè÷åñêèõ ðàáîò XX â. è íå ïîòåðÿëà àêòóàëüíîñòè äî ñèõ ïîð. Ñðåäè àñòðîíîìîâ îíà èçâåñòíà ïîä àááðåâèàòóðîé ELS, ïî ïåðâûì áóêâàì èìåí åå àâòîðîâ — Eggen, Lynden-Bell, Sandage. Îäíàêî íàø ðàññêàç ïîñâÿùåí äðóãîé çàñëóãå Îëèíà Ýããåíà — ââåäåííîìó èì ïîíÿòèþ «äâèæóùèõñÿ çâåçäíûõ ãðóïï» (moving groups of stars). Ñàìàÿ èçâåñòíàÿ èç íèõ — íåñîìíåííî, ãðóïïà Ãèàä, ÿäðîì êîòîðîé ñëóæèò çâåçäíîå ñêîïëåíèå Ãèàäû. Ãëàâíàÿ èäåÿ, êîòîðóþ Îëèí õîòåë ïðîèëëþñòðèðîâàòü ïðÿìî íà íåáå, çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî åñëè çâåçäû ðîæäàþòñÿ ãðóïïàìè (ò. å. â êîìïàêòíûõ ñêîïëåíèÿõ èëè áîëåå îáøèðíûõ àññîöèàöèÿõ è äàæå êîìïëåêñàõ), îíè äîëæíû
5.2. Ëåòÿùèå ãðóïïû Ýããåíà
155
Ðèñ. 5.3. Ýããåí, Ëèíäåí-Áåëë è Ñýíäèäæ — àâòîðû áåññìåðòíîé ðàáîòû ELS, ïîñâÿùåííîé ôîðìèðîâàíèþ Ãàëàêòèêè è êèíåìàòèêå åå ñòàðåéøèõ çâåçä. Ñíèìîê ñäåëàí íà îáñåðâàòîðèè Ñåððî-Òîëîëî â 1995 ã.
èìåòü î÷åíü ïîõîæèå ïðîñòðàíñòâåííûå ñêîðîñòè â Ãàëàêòèêå, óíàñëåäîâàííûå îò ðîäèòåëüñêîãî îáëàêà. Ïîñëå ðîæäåíèÿ, ðàññóæäàë Îëèí, èõ ñêîðîñòè ðàçëè÷àþòñÿ ëèøü íåçíà÷èòåëüíî èç-çà ìåäëåííîãî õàîòè÷åñêîãî áëóæäàíèÿ çâåçä âíóòðè ñêîïëåíèÿ. Äâèãàÿñü ïî ãàëàêòè÷åñêîé îðáèòå, ñêîïëåíèå âñëåäñòâèå ñâîèõ êîíå÷íûõ ðàçìåðîâ è ïðèëèâíîãî ýôôåêòà íåèçáåæíî äîëæíî ðàñòÿíóòüñÿ âäîëü îðáèòû è ïðèíÿòü äëèííóþ òðóáêîîáðàçíóþ ôîðìó. Ãèãàíòñêèé ïðèìåð ýòîãî ýôôåêòà ìîæíî âèäåòü íà ñíèìêå ãàëàêòèêè NGC 5907 (ñ. 16 öâåòíîé âêëàäêè). Ýòî ïîñëåäíèé ýòàï êîëëåêòèâíîé æèçíè áûâøèõ ÷ëåíîâ ñêîïëåíèÿ, êîòîðûé åùå ìîæíî çàìåòèòü ñ Çåìëè. Åñëè Ñîëíöó ñëó÷èòñÿ îêàçàòüñÿ âíóòðè òàêîé òðóáêè, òî î÷åâèäíî, ÷òî âõîäÿùèå â íåå çâåçäû áóäóò ðàçáðîñàíû ïî âñåìó íåáó ó íàñ íàä ãîëîâîé. Êàê
156
Ãëàâà 5. Äâèæóùèåñÿ ãðóïïû çâåçä
æå èõ âûäåëèòü íà ôîíå ìíîæåñòâà äðóãèõ çâåçä? Ïðåæäå âñåãî — ïî èõ ñõîæèì ïðîñòðàíñòâåííûì ñêîðîñòÿì.  êîíöå 1950-õ ãã., êîãäà Îëèí ðåøèë ïðîâåðèòü ñâîþ èäåþ, îïðåäåëåíèå ïðîñòðàíñòâåííûõ ñêîðîñòåé çâåçä íåâåðîÿòíî îñëîæíÿëîñü îòñóòñòâèåì íàäåæíûõ ïàðàëëàêñîâ. Ôàêòè÷åñêè ýòî áûëî ãëàâíûì ïðåïÿòñòâèåì, êîòîðîå, ê ñ÷àñòüþ, íå îõëàäèëî ýíòóçèàçì Ýããåíà.  ðåçóëüòàòå ìíîãîëåòíåé ðàáîòû ïî ñáîðó ñîáñòâåííûõ äâèæåíèé è ïàðàëëàêñîâ çâåçä, êîòîðóþ îí íà÷àë åùå áóäó÷è ñîòðóäíèêîì Ãðèíâè÷ñêîé îáñåðâàòîðèè è ïðîäîëæàë ïîòîì ôàêòè÷åñêè äî êîíöà æèçíè, Îëèí íàøåë íà íåáå ïî÷òè òûñÿ÷ó çâåçä, êîòîðûå, ñ åãî òî÷êè çðåíèÿ, âõîäèëè â áîëüøèå çâåçäíûå ïîòîêè. Ñ òåõ ïîð èõ íåðåäêî (è ïî ïðàâó) íàçûâàþò äâèæóùèìèñÿ ãðóïïàìè Ýããåíà. Âîò íåêîòîðûå èç íèõ: ïîòîê Ãèàä, ïîòîê Âîëüô 630, ïîòîê Ñèðèóñà, ïîòîê 61 Ëåáåäÿ, ïîòîê ã Ëüâà, ïîòîê ó Êîðìû è, íàêîíåö, äâèæóùàÿñÿ ãðóïïà Àðêòóðà (âîò ìû è âåðíóëèñü ê íåìó!). Ãðóïïèðîâêà çâåçä â ïîòîêè îòëè÷íî âèäíà íà ðèñ. 5.4. Êàê èçâåñòíî, ïîëîæåíèå îáúåêòîâ â Ãàëàêòèêå îòíîñèòåëüíî Ñîëíöà ïðèíÿòî óêàçûâàòü â ïðÿìîóãîëüíîé ñèñòåìå êîîðäèíàò X, Y, Z, îñè êîòîðîé íàïðàâëåíû ê öåíòðó Ãàëàêòèêè (X), â ñòîðîíó âðàùåíèÿ äèñêà Ãàëàêòèêè (Y) è â íàïðàâëåíèè ñåâåðíîãî ïîëþñà Ãàëàêòèêè (Z). Êîìïîíåíòû ïðîñòðàíñòâåííîé ñêîðîñòè çâåçä (U, V, W ) óêàçûâàþò â ýòîé æå ñèñòåìå êîîðäèíàò, ïðèíèìàÿ çà íîëü ñêîðîñòü äâèæåíèÿ âîêðóã öåíòðà Ãàëàêòèêè ïî êðóãîâîé îðáèòå, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç Ñîëíöå. Ñàìî Ñîëíöå äâèæåòñÿ íå ñîâñåì ïî êðóãîâîé îðáèòå, ïîýòîìó êîìïîíåíòû åãî ñêîðîñòè â ýòîé ñèñòåìå êîîðäèíàò íåíóëåâûå (ñì. ðàçäåë 3.1): U0 = 10,0 ± 0,4 êì/ñ, V0 = 5,2 ± 0,6 êì/ñ, W0 = 7,2 ± 0,4 êì/ñ. Íî â ìàñøòàáå ðèñ. 5.4 ýòè çíà÷åíèÿ òàê ìàëû, ÷òî ìîæíî ñ÷èòàòü Ñîëíöå ðàñïîëîæåííûì â íà÷àëå êîîðäèíàò. Êàê âèäèì, â ñâîåì äâèæåíèè â ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè çâåçäû îáðàçóþò íåñêîëüêî ãðóïï, èëè ïîòîêîâ, ÷òî õîðîøî èëëþñòðèðóåò èäåþ Ýããåíà. Ê ïðèìåðó, çâåçäû ïîòîêà Ãèàä ïî÷òè íå îòñòàþò îò ãàëàêòè÷åñêîãî âðàùåíèÿ â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà, çàòî îùóòèìî óäàëÿþòñÿ îò öåíòðà Ãàëàêòèêè (U » –40 êì/ñ). Ãðóïïà Àðêòóðà ñóùåñòâåííî îòñòàåò îò îñòàëüíûõ. Ýëëèïñàìè îòìå÷åíû òðè êîìïàêòíûå (â ñìûñëå ðàçáðîñà ñêîðîñòåé) ãðóïïû: Ïëåÿä, Êàñòîðà è IC 2391, äëÿ êîòîðûõ íå óêàçàíû çíà÷åíèÿ ñêîðîñòåé èõ îòäåëüíûõ çâåçä. Ïîñëå çàâåðøåíèÿ ðàáîòû àñòðîìåòðè÷åñêîãî ñïóòíèêà «Ãèïïàðêîñ» â 1997 ã. òî÷íîñòü èçìåðåííûõ ïàðàëëàêñîâ çâåçä â îêðåñòíîñòÿõ Ñîëíöà ñóùåñòâåííî âîçðîñëà. Íà îñíîâàíèè íîâûõ äàííûõ ìíîãèå èññëåäîâàòåëè ïðîâåëè òùàòåëüíóþ ïðîâåðêó ðåàëüíîñòè ñóùåñòâî-
5.2. Ëåòÿùèå ãðóïïû Ýããåíà
157
Ðèñ. 5.4. Ñêîðîñòè äâèæåíèÿ áëèæàéøèõ çâåçä â ïëîñêîñòè ãàëàêòèêè îòíîñèòåëüíî ñêîðîñòè êðóãîâîãî ãàëàêòîöåíòðè÷åñêîãî äâèæåíèÿ â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà. Êîìïîíåíò ñêîðîñòè U íàïðàâëåí ê öåíòðó Ãàëàêòèêè, êîìïîíåíò V — â íàïðàâëåíèè âðàùåíèÿ äèñêà Ãàëàêòèêè. Óêàçàíû íàçâàíèÿ äâèæóùèõñÿ ãðóïï.
âàíèÿ ãðóïï Ýããåíà. Åãî èäåÿ â öåëîì áëåñòÿùå ïîäòâåðäèëàñü — ïîòîêè âûäåëèëèñü åùå ÷åò÷å. Ïðàâäà, ãðóáûé êðèòåðèé îòáîðà çâåçä, èñïîëüçîâàííûé Ýããåíîì, áûë çàìåíåí áîëåå òî÷íûì; íåêîòîðûå çâåçäû ïðèøëîñü èñêëþ÷èòü èç ïîòîêîâ, íåêîòîðûå — äîáàâèòü. Íî â öåëîì êàðòèíà îò ýòîãî íå èçìåíèëàñü. Ïðèíàäëåæàùèå ýòèì ïîòîêàì ñâåòèëà èìåþò íå òîëüêî ñõîæèå ïðîñòðàíñòâåííûå ñêîðîñòè, íî è áëèçêèé âîçðàñò, à òàêæå ïî÷òè îäèíàêîâûé õèìè÷åñêèé ñîñòàâ. Ãëàâíîå ðàçëè÷èå ìåæäó íèìè ñîñòîèò â ýâîëþöèîííîì ñòàòóñå, íî ýòî î÷åâèäíûì îáðàçîì ñëåäóåò èç ðàçáðîñà íà÷àëüíûõ ìàññ: ìàññèâíûå çâåçäû ýâîëþöèîíèðóþò áûñòðåå. Âñå ýòî òîæå ñâèäåòåëüñòâóåò â ïîëüçó ãèïîòåçû Ýããåíà îá îáùåì ïðîèñõîæäåíèè çâåçä äâèæóùèõñÿ ãðóïï — áûâøèõ ñêîïëåíèé, êîòîðûå ñî âðåìåíåì ÷àñòè÷íî èëè ïîëíîñòüþ «èñïàðèëèñü» è âûòÿíóëèñü â òðóáêè. Òåïåðü îíè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé «æèäêèå» ïîòîêè, èíîãäà ñ íåáîëüøèìè ïëîòíûìè ÿäðàìè, êàê, íàïðèìåð, Ãèàäû è ßñëè.  îáøèðíûé ïîòîê Ãèàä âõîäèò åùå ìíîæåñòâî çâåçä ïî âñåìó íåáîñâîäó, âîç-
158
Ãëàâà 5. Äâèæóùèåñÿ ãðóïïû çâåçä
Æèðàô
Ïåðñåé
Ðèñ. 5.5. Ñêîïëåíèå îêîëî Àëüôû Ïåðñåÿ (a Per, íà ôîòî — ÿðêàÿ çâåçäà âûøå è ïðàâåå öåíòðà). Ýòî ÿäðî ïîäãðóïïû Â2 çâåçäíîãî ïîòîêà Ïëåÿä. Ïîìèìî ÿäðà â Ïåðñåå, ïîäãðóïïà Â2 âêëþ÷àåò â ñåáÿ íåêîòîðûå çâåçäû èç äðóãèõ ÎÂ-àññîöèàöèé ïîÿñà Ãóëäà, íàïðèìåð èç àññîöèàöèè Öåôåé ÎÂ6.
ðàñòîì îêîëî 600 ìëí ëåò, âêëþ÷àÿ Àëüäåáàðàí. Íî ïðåæäå ÷åì ìû ðàñêðîåì òàéíó Àðêòóðà è åãî ãðóïïû, äàâàéòå ïîçíàêîìèìñÿ ñ íåêîòîðûìè äðóãèìè, ìåíåå çàãàäî÷íûìè ïîòîêàìè.
5.3. Ïîòîê Ïëåÿä è Ìåñòíàÿ Òðóáà Äâèæóùàÿñÿ ãðóïïà Ïëåÿä îáúåäèíÿåò â ñåáå çâåçäû ñ ïðîñòðàíñòâåííûìè ñêîðîñòÿìè, áëèçêèìè ê ñêîðîñòè çâåçäíîãî ñêîïëåíèÿ Ïëåÿäû. Äðóãîå íàçâàíèå ýòîãî ïîòîêà — Ìåñòíàÿ àññîöèàöèÿ.  öåëîì îíà ìîëîäàÿ, íî â íåé íåñêîëüêî ïîäãðóïï, âîçðàñòû êîòîðûõ çàìåòíî ðàçëè÷àþòñÿ: îò 20 äî 150 (âîçìîæíî, äî 300) ìëí ëåò. ßäðà ýòèõ ïîäãðóïï øèðîêî ðàçáðîñàíû âîêðóã Ñîëíöà. Ñàìûå ìîëîäûå èç íèõ — ýòî ïîäãðóïïà Â1 ñ ÿäðîì â àññîöèàöèè Ñêîðïèîíà—Êåíòàâðà è ïîäãðóïïà Â2 ñ ÿäðîì â ñêîïëåíèè Ïåðñåé OB3. Ëþáèòåëÿì àñòðîíîìèè îíî èçâåñòíî êàê ñêîïëåíèå îêîëî çâåçäû á Per, ÿðêîãî áåëîãî ñâåðõãèãàíòà, òàêæå ïðèíàäëåæàùåãî ïîòîêó Ïëåÿä. Èíòåðåñ ê ïîäãðóïïå Â1 ó àñòðîíîìîâ ñåãîäíÿ îñîáûé. Îí ñâÿçàí ñ çàãàäêîé, íåïîñðåäñòâåííî êàñàþùåéñÿ íàøåé Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû.
5.3. Ïîòîê Ïëåÿä è Ìåñòíàÿ Òðóáà
159
Õîðîøî èçâåñòíî, ÷òî â íàñòîÿùåå âðåìÿ ãåëèîñôåðó Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû (ò. å. îáëàñòü, çàïîëíåííóþ äîâîëüíî ïëîòíîé ïëàçìîé ñîëíå÷íîãî âåòðà) îêðóæàåò âåñüìà ïðîòÿæåííàÿ îáëàñòü î÷åíü ãîðÿ÷åãî (~1 ìëí K) è ÷ðåçâû÷àéíî ðàçðåæåííîãî (~0,01 ÷àñòèöû/ñì3) ãàçà, êîòîðûé ïîëíîñòüþ èîíèçîâàí è ïðîíèçàí ìÿãêèì ðåíòãåíîâñêèì èçëó÷åíèåì. Ôàêòè÷åñêè ãåëèîñôåðà ïëûâåò â ýòîì ðàçðåæåííîì ìåæçâåçäíîì âåùåñòâå, êàê ãîðîøèíà â îêåàíå. Ýòîò îêåàí ãîðÿ÷åé ïëàçìû åùå íåäàâíî íàçûâàëè Ìåñòíûì Ïóçûðåì. Ðàçóìååòñÿ, «ìåñòíûé» îí ïî ãàëàêòè÷åñêèì ìàñøòàáàì: åãî ïîïåðå÷íèê äîñòèãàåò íåñêîëüêèõ ñîòåí ñâåòîâûõ ëåò. ×òî êàñàåòñÿ «ïóçûðÿ», òî åãî ôîðìà îòëè÷àåòñÿ îò ñôåðè÷åñêîé. Áîëåå òîãî, èçó÷åíèå åãî ñòðîåíèÿ ïîêàçàëî, ÷òî «ïóçûðü» èìååò ïëîòíûå ñòåíêè ëèøü â íàïðàâëåíèè íèçêèõ ãàëàêòè÷åñêèõ øèðîò (ò. å. â äèñêå Ãàëàêòèêè) è íå èìååò ÷åòêèõ ãðàíèö â îáëàñòè âûñîêèõ øèðîò, ò. å. îí ñâîáîäíî îòêðûâàåòñÿ â ïðîñòðàíñòâî íàä äèñêîì, çàïîëíåííîå ñòîëü æå ãîðÿ÷èì ãàçîì ãàëàêòè÷åñêîé êîðîíû, ÷òî è âíóòðè «ïóçûðÿ». Ïîýòîìó â ïîñëåäíåå âðåìÿ åãî âñå ÷àùå èìåíóþò Ìåñòíîé Òðóáîé (Local Chimney), ïðîòûêàþùåé äèñê íàñêâîçü. Ìåñòíóþ Òðóáó çàïîëíÿåò ðàñêàëåííûé ãàç ìàññîé ïîðÿäêà 1000 ÌA. Îí áóêâàëüíî çàëèâàåò ïðîñòðàíñòâî ïîòîêàìè ìÿãêîãî ðåíòãåíà, èçëó÷àÿ åãî ñ ìîùíîñòüþ 5 · 1029 Âò. Óäåëüíàÿ (íà åäèíèöó ìàññû) ñâåòèìîñòü ýòîãî ðàçðåæåííîãî îñòûâàþùåãî ãàçà òàêàÿ æå, êàê ó Ñîëíöà, â êîòîðîì èäóò òåðìîÿäåðíûå ðåàêöèè! Àñòðîíîìû î÷åíü õîòåëè áû ïîíÿòü, êàêîé ïðîöåññ «çàêà÷àë» â ãàç ýòó ýíåðãèþ.  îñíîâíîì ðàññìàòðèâàþòñÿ äâà ìåõàíèçìà îáðàçîâàíèÿ òàêîé ðàçîãðåòîé ïîëîñòè â äèñêå Ãàëàêòèêè: ìîùíûé çâåçäíûé âåòåð ãîðÿ÷èõ ìàññèâíûõ çâåçä â î÷àãå íåäàâíåãî çâåçäîîáðàçîâàíèÿ è âñïûøêè ñâåðõíîâûõ. Âïðî÷åì, ïåðâîå áåç âòîðîãî íèêàê íå îáõîäèòñÿ. Ãëàâíàÿ ïðîáëåìà â òîì, ÷òî, âèäÿ âîêðóã ñåáÿ ýòó îãðîìíóþ îáëàñòü ãîðÿ÷åãî ðàçðåæåííîãî ãàçà, ìû ñîâåðøåííî íå íàõîäèì â íåé ñëåäîâ íåäàâíåãî çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Ñêîïëåíèé ñî çâåçäàìè ðàííèõ ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ âíóòðè Ìåñòíîé Òðóáû ïîïðîñòó íåò. Êàê ãîâîðèòñÿ, êàðòèíà ïðåñòóïëåíèÿ íàëèöî, à ïðåñòóïíèêîâ è ñëåä ïðîñòûë! Âûäâèãàëèñü ãèïîòåçû ñ ïðèâëå÷åíèåì «óáåãàþùèõ ÎÂ-çâåçä» (OB-runaway star). Ìîæíî ïðåäñòàâèòü, ÷òî èç êàêîé-íèáóäü íåäàëåêîé îò Ñîëíöà àêòèâíîé îáëàñòè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ íåêîòîðûé äèíàìè÷åñêèé ïðîöåññ (íàïðèìåð, ðàçðûâ òåñíîé äâîéíîé ñèñòåìû) âûáðîñèë íà ïðèëè÷íîé ñêîðîñòè îäíó èç ìàññèâíûõ çâåçä. Ìîæíî âîîáðàçèòü, ÷òî îíà ñëó÷àéíî âçîðâàëàñü, ïðîëåòàÿ èìåííî îêîëî Ñîëíöà. Ñëàáîå ìåñòî ýòîé ãèïîòåçû â òîì, ÷òî ýíåðãèè îäíîé ñâåðõíîâîé
160
Ãëàâà 5. Äâèæóùèåñÿ ãðóïïû çâåçä
Ãàëàêòèêà
500 ïê
Òåëåö
Îñü Ìåñòíîé Òðóáû Çìååíîñåö
Ñîëíöå Öåíòð Ãàëàêòèêè
Þæíàÿ Êîðîíà Îáëàêî G192-67
Ðèñ. 5.6. Ñå÷åíèå Ìåñòíîé Òðóáû ïëîñêîñòüþ, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç Ñîëíöå, ïåðïåíäèêóëÿðíî äèñêó Ãàëàêòèêè. Áîëåå ïëîòíûå è õîëîäíûå îáëàñòè ïîêàçàíû òåìíûì öâåòîì.
íà ñîçäàíèå Ìåñòíîãî Ïóçûðÿ/Òðóáû åäâà ëè õâàòèò. Ê òîìó æå, êàê âûÿñíèëîñü ñðàâíèòåëüíî íåäàâíî, ãàç â Òðóáå íåîäíîðîäåí: âíóòðè íåå ïîïàäàþòñÿ áîëåå ïëîòíûå îáëàñòè ñ òåìïåðàòóðîé âñåãî ëèøü íåñêîëüêî äåñÿòêîâ òûñÿ÷ êåëüâèíîâ. Ýòî îòäåëüíûå îñòðîâêè òåïëîé ôàçû ìåæçâåçäíîé ñðåäû, è Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà ñåé÷àñ êàê ðàç ïðîáèðàåòñÿ ÷åðåç íåáîëüøîå îáëà÷êî ñ òåìïåðàòóðîé îêîëî 6000 K. Òàêèõ îáëà÷êîâ â îêðåñòíîñòÿõ Ñîëíöà íåñêîëüêî; èõ íàçûâàþò Ìåñòíûì Ïóõîì (Local Fluff). Îäíèì âçðûâîì òàêóþ êàðòèíó íå
161
5.3. Ïîòîê Ïëåÿä è Ìåñòíàÿ Òðóáà Ìåñòíûé ðóêàâ Îðèîíà
Îáëàêî Âîçíè÷èé— Ïåðñåé
Çìååíîñåö
Òåìíîå îáëàêî â Òåëüöå Ïóçûðü Ïëåÿä
Öåíòð Ãàëàêòèêè
Ñîëíöå
Âîëê Þæíûé «Óãîëüíûé ìåøîê»
Òóííåëü ê ñâåðõïóçûðþ GSH 238+00
Õàìåëåîí 500 ïê
Ðèñ. 5.7. Ñå÷åíèå Ìåñòíîãî Ïóçûðÿ/Òðóáû ïëîñêîñòüþ Ãàëàêòèêè.
îáúÿñíèòü. Çàáðîñèòü æå ñþäà îäíîâðåìåííî èç ðàçíûõ àññîöèàöèé ñðàçó íåñêîëüêî ìàññèâíûõ çâåçä — òàêàÿ âîçìîæíîñòü âûãëÿäèò êðàéíå ìàëîâåðîÿòíîé. È âñå æå êîñâåííûå ñâèäåòåëüñòâà áûëûõ âçðûâîâ ïîáëèçîñòè îò Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû åñòü. Èõ íàøëè è â êîñìîñå, è… íà äíå îêåàíîâ. Ïåðâûå — ýòî ìîëîäûå ãîðÿ÷èå îäèíî÷íûå íåéòðîííûå çâåçäû, îáíàðóæåííûå â îêðåñòíîñòÿõ Ìåñòíîé Òðóáû â ïîñëåäíèå ãîäû. Ïðàâäà, âíóòðè íå íàéäåíî íè îäíîé, íî ìû ïîìíèì, êàê ñòðåìèòåëüíî îíè óáåãàþò ñ ìåñòà ðîæäåíèÿ. È ê òîìó æå ìîëîäûå, íî ïîäîñòûâøèå çà íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ëåò íåéòðîííûå çâåçäû ìîãóò èçëó÷àòü ýíåðãèþ â óçêèõ êîíóñàõ ìèìî Çåìëè, îñòàâàÿñü íåâèäèìûìè äàæå â ïðåäåëàõ Òðóáû. Âòîðàÿ óëèêà åùå êðàñíîðå÷èâåå: â äîííûõ æåëåçî-ìàðãàíöåâûõ îòëîæåíèÿõ Òèõîãî îêåàíà (êîòîðûå ðàñòóò î÷åíü ìåäëåííî, âñåãî íà 2–5 ìì çà ìèëëèîí ëåò, è ñëóæàò åñòåñòâåííîé ãåîëîãè÷åñêîé ëåòîïèñüþ) îáíàðóæåíû ñëîè ñ èçáûòêîì ðåäêîãî èçîòîïà æåëå-
162
Ãëàâà 5. Äâèæóùèåñÿ ãðóïïû çâåçä
çà 60Fe. Âîçðàñò ýòèõ ñëîåâ — ëèøü íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ëåò, à èçîòîï 60Fe — ïðåêðàñíûé ìàðêåð: îí âûáðàñûâàåòñÿ ñâåðõíîâûìè â áîëüøèõ êîëè÷åñòâàõ è ïî÷òè íå ïîðîæäàåòñÿ êîñìè÷åñêèìè ëó÷àìè â ìåòåîðíîì èëè àòìîñôåðíîì âåùåñòâå, îñåäàþùåì íà Çåìëþ, â ÷àñòíîñòè íà äíî îêåàíîâ. Êàê áûòü? Ãäå èñêàòü òó îáëàñòü çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, êîòîðîé ïðèíàäëåæàëè ýòè ñâåðõíîâûå? Âîò òóò-òî è ïðèãîäèëèñü çâåçäíûå ïîòîêè Îëèíà Ýããåíà. Èäåÿ ïðîñòà: åñëè ñåãîäíÿ âíóòðè Ìåñòíîé Òðóáû íåò ïîäõîäÿùåãî ñêîïëåíèÿ èëè ÎÂ-àññîöèàöèè, à âçðûâû ñâåðõíîâûõ ãðåìåëè «åùå â÷åðà», çíà÷èò, ìîëîäîå ñêîïëåíèå çäåñü áûëî — íî òîæå «â÷åðà», à òåïåðü óëåòåëî! Íàäî âûáðàòü íà íåáå ñàìûå ìîëîäûå çâåçäíûå ïîòîêè, âîçðàñò êîòîðûõ äîïóñêàåò ñóùåñòâîâàíèå â íèõ íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ëåò íàçàä ìàññèâíûõ çâåçä-ïðàðîäèòåëåé ñâåðõíîâûõ, è ïîñìîòðåòü, íå ïðîëåòàëè ëè èõ ÿäðà â ïðîøëîì ÷åðåç Ìåñòíóþ Òðóáó. Ñàìûì ïîäõîäÿùèì êàíäèäàòîì îêàçàëñÿ ïîòîê Ïëåÿä, à òî÷íåå, åãî íàèáîëåå ìîëîäàÿ ïîäãðóïïà B1, â êîòîðîé äîìèíèðóþò çâåçäû ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ Â3–Â1,5 ñ ìàññàìè äî 10 ÌA (ïðèáëèçèòåëüíûé ïîðîã ìàññû äëÿ ïðåäñâåðõíîâîé). Áîëåå ìàññèâíûõ çâåçä â Â1 óæå íå îñòàëîñü. Íî ó àñòðîíîìîâ åñòü ìåòîä «ðåñòàâðàöèè» ñêîïëåíèé. Òàê æå, êàê àðõåîëîã ïî ñîõðàíèâøèìñÿ ÷åðåïêàì âîññòàíàâëèâàåò âàçó, àñòðîíîì ìîæåò «âîññòàíîâèòü» ñòàðîå ñêîïëåíèå ïî àíàëîãèè ñ äðóãèìè, áîëåå ìîëîäûìè. Äëÿ ýòîãî äåëàåòñÿ ñëåäóþùåå ïðåäïîëîæåíèå: â ìîìåíò ðîæäåíèÿ ëþáîãî ñêîïëåíèÿ ðàñïðåäåëåíèå â íåì çâåçä ïî ìàññàì èìååò óíèâåðñàëüíûé âèä, êîòîðûé íàçûâàþò íà÷àëüíîé ôóíêöèåé ìàññ. Ïîýòîìó àñòðîíîìû ñðàâíèëè ìàññû íûíåøíåãî çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ ïîäãðóïïû ñ íà÷àëüíîé ôóíêöèåé ìàññ ñàìûõ ìîëîäûõ ÎÂ-àññîöèàöèé Ãàëàêòèêè è òàêèì îáðàçîì îöåíèëè, ñêîëüêî â íåé áûëî áîëåå ìàññèâíûõ çâåçä ðàíüøå. Îêàçûâàåòñÿ, çà ïîñëåäíèå 10–20 ìëí ëåò â ïîäãðóïïå Â1 äîëæíû áûëè çàêîí÷èòü ñâîþ æèçíü âçðûâîì ñâåðõíîâîé îêîëî 20 ìàññèâíûõ çâåçä. Îñòàåòñÿ ñäåëàòü ïîñëåäíèé øàã: îáðàòèâ âðåìÿ âñïÿòü, êàê ìîæíî òî÷íåå îïèñàòü äâèæåíèå ÿäðà ïîäãðóïïû Â1 îòíîñèòåëüíî Ìåñòíîé Òðóáû â ïðîøëîì. Ïîñìîòðèì íà ñå÷åíèå îêðåñòíîñòåé Ñîëíöà ïëîñêîñòüþ ãàëàêòè÷åñêîãî ýêâàòîðà (ðèñ. 5.8). Ñåðàÿ ñôåðà — èäåàëèçèðîâàííàÿ ôîðìà Ìåñòíîãî Ïóçûðÿ ïî äàííûì ñïóòíèêà EUVE (Extreme Ultraviolet Explorer, Èññëåäîâàòåëü äàëåêîãî óëüòðàôèîëåòîâîãî èçëó÷åíèÿ) íà 1998 ã. ×åðíàÿ ëèíèÿ — ñóùåñòâåííî óòî÷íåííàÿ ãðàíèöà, ïîñòðîåííàÿ íà îñíîâàíèè èçó÷åíèÿ ìåæçâåçäíîãî ïîãëîùåíèÿ ñâåòà â ëèíèè Na I ïî ìíîãèì íàïðàâëåíèÿì íà íåáå. Ðàçóìååòñÿ, ãðàíèöà Ìåñòíîé Òðóáû ïîêà îïðåäåëåíà íå âïîëíå íàäåæíî, èáî ãåî-
163
5.3. Ïîòîê Ïëåÿä è Ìåñòíàÿ Òðóáà L=90° 200
100 –30 Ïëåÿäû L=180° –200
–100
–20
Êîâø ÁÌ
100
Ãèàäû
Öåíòð Ãàëàêòèêè L=0° 200 ïê
ßñëè –100 IC 2391
IC 2602
Àññîöèàöèÿ Ñêîðïèîíà— Êåíòàâðà (ÿäðî ïîäãðóïïû B1)
NGC 2451 –200 L=270°
Ðèñ. 5.8. Ñå÷åíèå Ìåñòíîé Òðóáû ýêâàòîðèàëüíîé ïëîñêîñòüþ Ãàëàêòèêè. Ïîêàçàíû ÿäðà ÷åòûðåõ çâåçäíûõ ïîòîêîâ: Ñèðèóñà, Ãèàä, Ïëåÿä è IC 2391, èõ ñêîðîñòè îòíîñèòåëüíî Òðóáû è ïðåäïîëàãàåìûé ïóòü ÿäðà ïîäãðóïïû B1 èç ïîòîêà Ïëåÿä çà ïîñëåäíèå 30 ìëí ëåò.  IV êâàäðàíòå ãàëàêòè÷åñêèõ øèðîò ê Ìåñòíîé Òðóáå ïðèìûêàåò äðóãîé ïóçûðü, ðàçäóâàåìûé çâåçäíîé àññîöèàöèåé Ñêîðïèîíà—Êåíòàâðà. Ñîëíöå íàõîäèòñÿ íà ïåðåñå÷åíèè êîîðäèíàòíûõ îñåé è äâèæåòñÿ îòíîñèòåëüíî áëèæàéøèõ çâåçä â óêàçàííîì íàïðàâëåíèè ñî ñêîðîñòüþ îêîëî 14 êì/ñ (â ïðîåêöèè íà ïëîñêîñòü Ãàëàêòèêè).
ãðàôèÿ ãàëàêòè÷åñêèõ îêðåñòíîñòåé Ñîëíöà åùå ïåðåæèâàåò ïåðèîä ñâîåãî ñòàíîâëåíèÿ. Îâàëîì îòìå÷åíî ÿäðî ïîäãðóïïû Â1, ðàñïîëîæåííîå â àññîöèàöèè Ñêîðïèîíà—Êåíòàâðà (íà ñàìîì äåëå çâåçäû ýòîé ïîäãðóïïû ïðèñóòñòâóþò âî âñåõ òðåõ ñêîïëåíèÿõ àññîöèàöèè, à íåêîòîðûå èç íèõ íàõîäÿòñÿ äàëåêî çà åå ãðàíèöàìè). Òðàåêòîðèÿ äâèæåíèÿ ÿäðà ïîäãðóïïû Â1 çà ïðîøåäøèå 30 ìëí ëåò ïîêàçûâàåò, ÷òî îíî íàõîäèëîñü â ïðåäåëàõ Ìåñòíîé Òðóáû êàê ðàç 10–20 ìëí ëåò íàçàä, òàê ÷òî áîëüøèíñòâî åãî ìàññèâíûõ çâåçä äîëæíî áûëî âçîðâàòüñÿ èìåííî òàì!
164
Ãëàâà 5. Äâèæóùèåñÿ ãðóïïû çâåçä
Ðàññòîÿíèå äî Çåìëè (ñâ. ëåò) a Äóáõå 125 b Ìåðàê 79 g Ôåêäà 85 d Ìåãðåö 81 e Àëèñò 81 z Ìèöàð 79 h Áåíåòíàø 101 Çâåçäà
125
100
75 Ñâåòîâûå ãîäû
50
25
Ðèñ. 5.9. Ïîëîæåíèå â ïðîñòðàíñòâå çâåçä Êîâøà Áîëüøîé Ìåäâåäèöû.  íåì ÿñíî âèäíà ãðóïïà èç 5 çâåçä, ðàñïîëîæåííûõ íà ïî÷òè îäèíàêîâîì ðàññòîÿíèè îò Ñîëíöà (îêîëî 25 ïê » 82 ñâ. ãîäà). Ìíîãîëåòíèå íàáëþäåíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî çâåçäû ýòîé ãðóïïû è â ïðîñòðàíñòâå äâèæóòñÿ ïàðàëëåëüíî. Ïî-âèäèìîìó, îíè ñâÿçàíû îáùèì ïðîèñõîæäåíèåì. Íà ñàìîì äåëå èõ ñóùåñòâåííî áîëüøå; â Êîâøå îêàçàëèñü ëèøü íåêîòîðûå ÷ëåíû ýòîãî äâèæóùåãîñÿ ñêîïëåíèÿ.
Íà ïåðâûé âçãëÿä, ñòðàííî, ÷òî âñå ýòî ïðîèñõîäèëî íå â öåíòðå, à ó ñàìîãî êðàÿ Òðóáû. Íî äåëî â òîì, ÷òî ïóçûðü â ãàëàêòè÷åñêîì äèñêå ðàñøèðÿåòñÿ íå ðàâíîìåðíî âî âñå ñòîðîíû, à â îñíîâíîì òóäà, êóäà åìó ïîçâîëÿþò äàâëåíèå è ïëîòíîñòü îêðóæàþùåé ñðåäû. Îãðîìíûé âûñòóï íà ñòåíêå Òðóáû â íàïðàâëåíèè ãàëàêòè÷åñêîãî öåíòðà — íå ÷òî èíîå, êàê ïëîòíîå îáëàêî â Çìååíîñöå, êîòîðîå ìîãëî ñäåðæàòü ðàñøèðåíèå Òðóáû â ýòîì íàïðàâëåíèè. Ñåãîäíÿ àññîöèàöèÿ Ñêîðïèîíà—Êåíòàâðà ïîêèíóëà îáëàñòü Ìåñòíîé Òðóáû, çàòî ñ óñïåõîì ðàçäóâàåò äðóãîé ïóçûðü, ãðàíè÷àùèé ñ íàøèì. Ñåãîäíÿ ê îïèñàííîìó ñöåíàðèþ ïðîèñõîæäåíèÿ Ìåñòíîãî Ïóçûðÿ, ïðåâðàòèâøåãîñÿ â Òðóáó, ñêëîíÿåòñÿ áîëüøèíñòâî àñòðîíîìîâ. À, ìåæäó ïðî÷èì, ñóùåñòâîâàíèå Ìåñòíîãî Ïóçûðÿ îäíèì èç ïåðâûõ åùå â íà÷àëå 1960-õ ãã. çàïîäîçðèë íå êòî èíîé, êàê Îëèí Ýããåí. Ïðåäåëüíî òî÷íàÿ ôîòîìåòðèÿ çâåçä ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ ΖÀ0 âêóïå ñ êîëëåêöèåé çâåçäíûõ ïàðàëëàêñîâ ïîçâîëèëè åìó ïî çàâèñèìîñòè ïîêàçàòåëÿ öâåòà îò ðàññòîÿíèÿ óæå â òå ãîäû ïðèéòè ê âûâîäó î ñóùåñòâîâàíèè ïî÷òè ïóñòîé îáëàñòè, îêðóæàþùåé Ñîëíöå.
5.4. Ïîòîê Ñèðèóñà
165
5.4. Ïîòîê Ñèðèóñà Ïîïðîáóéòå ñ õîäó îòâåòèòü íà âîïðîñ: êàêîå èç çâåçäíûõ ñêîïëåíèé áëèæàéøåå ê íàì? Ïåðâîå, ÷òî ïðèõîäèò â ãîëîâó, — Ãèàäû (47 ïê).  äåéñòâèòåëüíîñòè åñòü ñêîïëåíèå, ðàñïîëîæåííîå åùå áëèæå; ê òîìó æå îíî ïîñòàðøå Ãèàä è îòòîãî ãîðàçäî áîëåå ðàññðåäîòî÷åíî ïî íåáó. Åãî ÿäðî — ïÿòü çâåçä Êîâøà Áîëüøîé Ìåäâåäèöû, èñêëþ÷àÿ Äóáõå (á UMa) è Àëêàèä, èëè Áåíåòíàø (ç UMa) — êðàéíèå â «ðó÷êå» è «÷åðïàêå». Èõ ñîáñòâåííûå äâèæåíèÿ ïðîòèâîïîëîæíû äâèæåíèþ îñòàëüíûõ çâåçä Êîâøà. Ðàññòîÿíèå äî ýòîãî ñêîïëåíèÿ âäâîå ìåíüøå, ÷åì äî Ïëåÿä. Ìèöàð, Àëèîò, Ìåãðåö, Ôåêäà è Ìåðàê (æ, å, ä, ã è â UMa) — åãî ÿð÷àéøèå çâåçäû ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ A0–A3. Ëþáèìûé íàáëþäàòåëÿìè Àëüêîð, èçäàâíà èñïîëüçóåìûé äëÿ ïðîâåðêè çðåíèÿ, òîæå âõîäèò â ýòî ñêîïëåíèå.  ïðîøëîì áûëè ñîìíåíèÿ â ôèçè÷åñêîé ñâÿçè ìåæäó Àëüêîðîì è Ìèöàðîì, íî ïîñëå 2009 ã. èõ ïðàêòè÷åñêè íå îñòàëîñü: òî÷íûå èçìåðåíèÿ ðàññòîÿíèÿ è äâèæåíèÿ ýòèõ çâåçä ïîêàçàëè, ÷òî ýòî äâîéíàÿ ñèñòåìà. Áîëåå òîãî, ýòî ñèñòåìà èç øåñòè çâåçä: ó Àëüêîðà äâà êîìïîíåíòà, à ó Ìèöàðà ÷åòûðå (äâå òåñíûå ïàðû). Âñÿ ýòà êîìïàíèÿ ïðèíàäëåæèò äâèæóùåìóñÿ ñêîïëåíèþ Êîâøà. Åìó ïðèíàäëåæàò è íåêîòîðûå äðóãèå çâåçäû, ðàñïîëîæåííûå â îáëàñòè Êîâøà: 37 è 78 Áîëüøîé Ìåäâåäèöû, à òàêæå íåñêîëüêî áîëåå ñëàáûõ çâåçä ýòîãî ñîçâåçäèÿ, íå âèäèìûõ íåâîîðóæåííûì ãëàçîì. –150 000 ëåò  ðåàëüíîñòè ñêîïëåíèå Êîâøà — ýòî ëèøü ÿäðî áîëüøîé äâèæóùåéñÿ ãðóïïû çâåçä — îáøèðíîãî ïîòîêà, ïðåäñòàâèòåëè êîòîðîãî âñòðå÷àþòñÿ íà íåáå ñêîëü óãîäíî äàëåêî îò Áîëüøîé Ìåäâåäèöû. Âçãëÿíèòå íà Íàñòîÿùåå âðåìÿ çâåçäíóþ êàðòó, à ëó÷øå äîæäèòåñü ÿñíîãî âå÷åðà è âûéäèòå ñ êàðòîé è ìàëåíüêèì êðàñíûì ôîíàðèêîì ïîä îòêðûòîå íåáî. Èòàê, íà÷èíàåì ïóòåøåñòâèå. Ãåììà, èëè Àëüôåêêà (á Ñåâåðíîé Êîðîíû, 2,2m), 21 Ìàëîãî Ëüâà +150 000 ëåò (4,5m), Ðàñàëüõàã (á Çìååíîñöà, 2m), â Çìåè m m (3,6 ), Çîñìà (ä Ëüâà, 2,5 ), Ìåíêàëèíàí (â Âîçíè÷åãî, 1,9m), Êàôôàëèäìà (ã Êèòà, 3,5m), Êóðñà (â Ýðèäàíà, 2,8m), ó è ç Àíäðîìåäû (4,5m è Ðèñ. 5.10. Èçìåíåíèå êîíôèãóðàöèè çâåçä Êîâøà 4,4m). Ýòîò ñïèñîê ìîæíî ïðîäîëæàòü äîëãî: â Áîëüøîé Ìåäâåäèöû çà ïîòîê Áîëüøîé Ìåäâåäèöû âõîäèò áîëåå ñîò- 300 òûñ. ëåò â ðåçóëüòàòå íè çâåçä. Ñèÿþùèé Ñèðèóñ, ðàñïîëîæåííûé â äâèæåíèÿ çâåçä â ïðîñòðàíñòâå. ïðîòèâîïîëîæíîé ñòîðîíå íåáîñâîäà, òîæå
166
Ãëàâà 5. Äâèæóùèåñÿ ãðóïïû çâåçä
Ðèñ. 5.11. Êàðòà âñåãî íåáà â ãàëàêòè÷åñêèõ êîîðäèíàòàõ, íà êîòîðóþ íàíåñåíû çâåçäû ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ B5–F5 èç ïîòîêà Ñèðèóñà. Êðóæêàìè îáâåäåíû ïðèíàäëåæàùèå åìó çâåçäû Êîâøà Áîëüøîé Ìåäâåäèöû è ñàì Ñèðèóñ.
ïðèíàäëåæèò ïîòîêó, ñâÿçàííîìó ñ Êîâøîì Áîëüøîé Ìåäâåäèöû! Èìåííî ïîýòîìó Îëèí Ýããåí â ñâîåé ðàáîòå íàçâàë ýòîò ïîòîê «äâèæóùåéñÿ ãðóïïîé Ñèðèóñà». Ïðèõîäèòñÿ êðóòèòü ãîëîâîé? Íè÷åãî, çàòî òåïåðü âû ïîçíàêîìèëèñü ñ îäíèì èç èíòåðåñíåéøèõ çâåçäíûõ ïîòîêîâ, â ãóùå êîòîðîãî âîëåé ñóäüáû îêàçàëàñü Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà. Âûáðàâ èç êàòàëîãà àñòðîìåòðè÷åñêîãî ñïóòíèêà Hipparcos ìîëîäûå çâåçäû ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ B5–F5, óäàëåííûå îò Ñîëíöà íå áîëåå ÷åì íà 250 ïê, àñòðîíîìû íàíåñëè íà êàðòó òå èç íèõ, êîòîðûå âõîäÿò â ïîòîê Ñèðèóñà (ðèñ. 5.11). Íà ýòîé êàðòå õîðîøî âèäíî, ÷òî ÷ëåíû ïîòîêà, âîîáùå ãîâîðÿ, íå êîíöåíòðèðóþòñÿ ê åãî ÿäðó — Êîâøó Áîëüøîé Ìåäâåäèöû. Ïîêèíóâ åãî, îíè ðàñòÿíóëèñü â «òðóáêó» è îêàçàëèñü ðàçáðîñàíû ó íàñ íàä ãîëîâîé ïî âñåìó íåáó.
5.5. «Çâåçäíûå ðåêè» Ìîæíî ïðîâåñòè àíàëîãèþ ìåæäó çâåçäíûìè ïîòîêàìè è ðåêàìè. Âàì êîãäà-íèáóäü äîâîäèëîñü ñòîÿòü â ñåðåäèíå øèðîêîé, íî íåãëóáîêîé ðåêè è íàáëþäàòü, êàê åå âîäà îáåãàåò âàñ ñî âñåõ ñòîðîí?  äàííîì ñëó÷àå Ñîëíöå — ýòî âû. Ñ òîé ëèøü ðàçíèöåé, ÷òî ó íàñ íà Çåìëå âû íå ìîæåòå ñòîÿòü ïîñåðåäèíå ñðàçó íåñêîëüêèõ ðåê îäíîâðåìåííî, à Ñîëíöå ñ ïëàíåòàìè — ìîæåò: çâåçäíûå ïîòîêè ïåðåñåêàþò äðóã äðóãà, íå çàìå÷àÿ ýòîãî. Áîëåå ãëóáîêèé âçãëÿä îáíàðóæèâàåò åùå îäíî ñóùåñòâåííîå ðàçëè÷èå ìåæäó âîäíûì è çâåçäíûì ïîòîêàìè. Êàê èçâåñòíî, «íåëüçÿ äâàæäû âîéòè â îäíó è òó æå ðåêó» — ïîòîê óíîñèòñÿ áåçâîçâðàòíî, è êàæäûé ðàç âàñ îìûâàþò íîâûå âîäû. Íî ñî çâåçäíûìè ïîòîêàìè âñå îáñòîèò èíà÷å. Çåìíîìó íàáëþäàòåëþ êàæåòñÿ, ÷òî çâåçäû ïîòîêîâ ïðîíî-
5.6. Ïîòîê Àðêòóðà
167
ñÿòñÿ ìèìî Ñîëíöà âî âñåõ íàïðàâëåíèÿõ â íåèçâåñòíîñòü. Íî åñëè âû ïîñìîòðèòå íà ýòè æå ïîòîêè ñ ãàëàêòè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ, ïîäíÿâøèñü íàä Ãàëàêòèêîé, âû óâèäèòå, ÷òî îíè, êàê ïðàâèëî, èìåþò îðáèòû, áëèçêèå ê êðóãîâûì, à èõ ÷ëåíû îáðàùàþòñÿ âîêðóã öåíòðà Ãàëàêòèêè íà ñðàâíèìûõ ñêîðîñòÿõ — îêîëî 200–250 êì/ñ. Ïðîéäÿ ÷åðåç ëþáîé èç ïîòîêîâ, îðáèòà Ñîëíöà ëèøü íåìíîãî îòêëîíÿåòñÿ îò îðáèòû âõîäÿùèõ â íåãî çâåçä. Äâèãàÿñü ïî÷òè íà ïàðàëëåëüíîì êóðñå, Ñîëíöå ìîæåò ñíîâà ïåðåñå÷ü ýòîò æå ïîòîê ïî ïðîøåñòâèè, ñêàæåì, ïîëîâèíû ãàëàêòè÷åñêîãî ãîäà (÷óòü áîëåå 100 ìëí ëåò). Ñ òî÷êè çðåíèÿ çåìíîãî íàáëþäàòåëÿ âñå ýòî âûãëÿäèò íåñêîëüêî ñòðàííî: çâåçäû, ñ êîòîðûìè îí óæå ðàñïðîùàëñÿ, ñïóñòÿ ñîòíþ ìèëëèîíîâ ëåò âäðóã ñíîâà ïîÿâëÿþòñÿ íà íåáîñâîäå è áåãóò â îáðàòíóþ ñòîðîíó! Âçÿòü õîòÿ áû ïîòîê Ñèðèóñà. Âîçðàñò åãî çâåçä îöåíèâàåòñÿ â (500 ± 100) ìëí ëåò. Òàêèì îáðàçîì, îí ñäåëàë óæå äâà îáîðîòà âîêðóã öåíòðà Ãàëàêòèêè. Âïîëíå âîçìîæíî, ÷òî ìû óæå íåîäíîêðàòíî åãî ïåðåñåêàëè. À ñàìî Ñîëíöå: íå ïðèíàäëåæèò ëè è îíî êàêîé-íèáóäü èç «çâåçäíûõ ðåê»? Íàïðèìåð, ê ïîòîêó Ñèðèóñà ñ ñàìûì áëèçêèì ê íàì ñêîïëåíèåì — ÿäðîì â Áîëüøîé Ìåäâåäèöå? Âîîáùå, çâåçäíûå ïîòîêè âûäåëÿþò èìåííî ïî èõ ñîáñòâåííîé ñêîðîñòè îòíîñèòåëüíî Ñîëíöà. Ïîíÿòíî, ÷òî íàø ïîòîê, åñëè áû òàêîâîé ñóùåñòâîâàë, îáúåäèíÿë áû çâåçäû ñ ñàìûì ìàëûì ñîáñòâåííûì äâèæåíèåì íà íåáå. Òàêèå çâåçäû åñòü, íî àñòðîíîìû íå ñ÷èòàþò èõ ïîòîêîì. Ïî÷åìó? Âñïîìíèì î âîçðàñòå Ñîëíöà è ñðàâíèì åãî ñ âîçðàñòîì åùå íå ðàñòâîðèâøèõñÿ â Ãàëàêòèêå äâèæóùèõñÿ çâåçäíûõ ãðóïï. Òðóäíî ïðåäñòàâèòü, ÷òî â äèñêå Ãàëàêòèêè ìîã áû ñîõðàíèòüñÿ ïîòîê, ñîâåðøèâøèé äåñÿòêè îáîðîòîâ âîêðóã åå öåíòðà.  Ñîëíå÷íîé ñèñòåìå ìåòåîðíûå ïîòîêè ñîõðàíÿþòñÿ äîâîëüíî äîëãî ïîòîìó, ÷òî ïîä äåéñòâèåì äîìèíèðóþùåãî ïðèòÿæåíèÿ ê Ñîëíöó îíè äâèæóòñÿ ïî ïðîñòûì ïî÷òè ýëëèïòè÷åñêèì îðáèòàì. Íî â Ãàëàêòèêå ãðàâèòàöèîííîå ïîëå íåîäíîðîäíî â øèðîêîì äèàïàçîíå ìàñøòàáîâ (çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ, ãèãàíòñêèå ìîëåêóëÿðíûå îáëàêà, ñïèðàëüíûå ðóêàâà, áàð), ïîýòîìó ñ âîçðàñòîì çâåçäíûå ïîòîêè áûñòðî «ðàñïëûâàþòñÿ». È âñå æå ïðèìåð Àðêòóðà ïîêàçûâàåò, ÷òî ñòàðîñòü — åùå íå ïðèãîâîð…
5.6. Ïîòîê Àðêòóðà Ðàçãîâîð îá Àðêòóðå (a Boo) ìû ïðåðâàëè íà òîì, ÷òî íàçâàëè åãî êðàñíûì ãèãàíòîì, ëåòÿùèì ñ î÷åíü áîëüøîé ñêîðîñòüþ îòíîñèòåëüíî Ñîëíöà. Òàêæå ìû óïîìÿíóëè î äâèæóùåéñÿ ãðóïïå Àðêòóðà. Ïðèøëî âðåìÿ ðàñêðûòü îñòàëüíûå êàðòû: àíàëèç ñïåêòðà ýòîãî áëèçêîãî ãèãàíòà (K1,5 III) ïîçâîëèë îöåíèòü óñêîðåíèå ñèëû òÿæåñòè íà åãî ïî-
168
Ãëàâà 5. Äâèæóùèåñÿ ãðóïïû çâåçä
âåðõíîñòè: âñåãî îêîëî 0,57 ì/ñ2. Ðàäèóñ çâåçäû, ðàññòîÿíèå äî êîòîðîé èçìåðåíî íàäåæíûì ìåòîäîì òðèãîíîìåòðè÷åñêîãî ïàðàëëàêñà, îáû÷íî âû÷èñëÿþò ïî ñâåòèìîñòè è òåìïåðàòóðå ïîâåðõíîñòè. Íî ðàäèóñ Àðêòóðà óäàëîñü èçìåðèòü íàïðÿìóþ ñ ïîìîùüþ îïòè÷åñêîãî èíòåðôåðîìåòðà Ìàðê III, óñïåøíî ðàáîòàâøåãî íà îáñåðâàòîðèè Ìàóíò-Âèëñîí äî íà÷àëà 1990-õ ãã. Âåäü Àðêòóð — íå ïðîñòî ãèãàíò, à âåñüìà áëèçêèé ê íàì ãèãàíò. Ïðÿìûå èçìåðåíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî îí ïðèìåðíî â 25 ðàç áîëüøå Ñîëíöà. Çàäà÷à äëÿ øêîëüíèêà: îïðåäåëèòü, âî ñêîëüêî ðàç Àðêòóð ìàññèâíåå Ñîëíöà, åñëè óñêîðåíèå ñèëû òÿæåñòè íà ïîâåðõíîñòè íàøåãî ñâåòèëà 274 ì/ñ2. Ïðîäåëàâ ýòè íåõèòðûå âû÷èñëåíèÿ, ïîëó÷èì, ÷òî êðàñíûé ãèãàíò ïî èìåíè Àðêòóð âñåãî íà 20% ìàññèâíåå Ñîëíöà! Àêêóðàòíûé ðàñ÷åò ïîêàçûâàåò, ÷òî ìàññà Àðêòóðà îêîëî 1,1 ÌA. Ó÷èòûâàÿ ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèÿ ñèëû òÿæåñòè íà åãî ïîâåðõíîñòè (â äàííîì ñëó÷àå îíà íàèáîëüøàÿ), ìîæíî ñ óâåðåííîñòüþ ñêàçàòü, ÷òî îí âåñèò íå áîëåå 1,5 ÌA. Ýòà îöåíêà ñðàçó ïðåâðàùàåò ïîòîê Àðêòóðà â ýêñòðàîðäèíàðíûé: äëÿ òîãî, ÷òîáû ñòàòü êðàñíûì ãèãàíòîì, çâåçäå ñ ìàññîé Àðêòóðà òðåáóåòñÿ îêîëî 7 ìëðä ëåò! È äàæå ñ ó÷åòîì âîçìîæíûõ îøèáîê â èçìåðåíèè ìàññû — íèêàê íå ìåíåå 2,5 ìëðä. Ñòàðîñòü ïîòîêà Àðêòóðà áåññïîðíà è ïîäòâåðæäàåòñÿ ìíîæåñòâîì äðóãèõ ôàêòîâ. Ê ïðèìåðó, âñå åãî çâåçäû èìåþò î÷åíü íèçêóþ ìåòàëëè÷íîñòü, íå ïðåâûøàþùóþ 30% îò ñîëíå÷íîé.  ýòîì îíè ñõîæè ñî ñòàðûìè çâåçäàìè (íàñåëåíèå II), îáèòàþùèìè â ãàëàêòè÷åñêîì ãàëî.  ýòîì ïîòîêå íåò çâåçä ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ áîëåå ðàííèõ, ÷åì G, è ýòî ïîíÿòíî: â òàêîì ñòàðîì ïîòîêå èõ óæå íå îñòàëîñü. Àëüôà Ëèñè÷êè (á Vul), åùå îäèí êðàñíûé ãèãàíò èç ýòîãî æå ïîòîêà, âèäåí íà íåáå êàê ñëàáàÿ çâåçäî÷êà áëåñêîì 4,4m. Äðóãèå åãî ÷ëåíû — à èõ îáíàðóæåíî óæå áîëåå ïîëóñîòíè, — îñîáåííî çâåçäû ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè, ñðåäè êîòîðûõ è äðåâíèå áëèçíåöû Ñîëíöà ñïåêòðàëüíîãî êëàññà G, êàê ïðàâèëî, íåäîñòóïíû íåâîîðóæåííîìó ãëàçó, õîòÿ â íåáîëüøîé áèíîêëü èõ ìîæíî âèäåòü äåñÿòêàìè. Åñëè ñðàâíèòü ïîòîê Àðêòóðà ñ ðåêîé, ýòî áóäåò øèðîêàÿ, ðàçëèâøàÿñÿ ðåêà, åñëè âîîáùå åå ìîæíî íàçâàòü ðåêîé. Íåêîòîðûå åãî ñâåòèëà äîâîëüíî âûñîêî âçáèðàþòñÿ íàä äèñêîì Ãàëàêòèêè — äî 1 êïê, äðóãèå ïî÷òè èç íåãî íå âûõîäÿò. Ãëàâíûé ïðèçíàê, ïî êîòîðîìó àñòðîíîìû âûäåëÿþò èõ íà íåáå, — ñèëüíîå îòñòàâàíèå îò îñíîâíîé ìàññû çâåçä â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà: ïðèìåðíî íà 100 êì/ñ. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî îíè äâèæóòñÿ íå ïî êðóãîâûì, à ïî ñèëüíî âûòÿíóòûì ãàëàêòè÷åñêèì îðáèòàì ñ ïåðèöåíòðàìè, ëåæàùèìè ãëóáîêî â öåíòðàëüíîé îáëàñòè Ìëå÷íîãî Ïóòè. (Ìîìåíò îðáèòàëüíîãî èìïóëüñà Àðêòóðà ñî-
5.6. Ïîòîê Àðêòóðà
169
ñòàâëÿåò âñåãî ïîëîâèíó îò ìîìåíòà èìïóëüñà çâåçä íà êðóãîâîé îðáèòå â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà.) Îòñóòñòâèå êîìïîíåíòà ñêîðîñòè âäîëü ëèíèè öåíòð—àíòèöåíòð Ãàëàêòèêè ñâèäåòåëüñòâóåò î òîì, ÷òî çâåçäû ýòîãî ïîòîêà, ïî-âèäèìîìó, äîñòèãàþò â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà àïîöåíòðîâ ñâîèõ îðáèò. Êàê ìû óæå ãîâîðèëè, êëàññè÷åñêèå ìîëîäûå çâåçäíûå ïîòîêè íèêîãäà íå èìåþò âûòÿíóòûõ ýëëèïòè÷åñêèõ îðáèò. Ýòî è ïîíÿòíî, èáî â öåëîì îíè íàñëåäóþò ïî÷òè êðóãîâóþ ñêîðîñòü ñâîåãî ðîäèòåëüñêîãî îáëàêà â äèñêå Ãàëàêòèêè. ×òî çà ñòðàííîå îáëàêî äàëî æèçíü ïîòîêó Àðêòóðà? Äà è áûëî ëè îíî? Ðàçáðîñ ìåòàëëè÷íîñòè ó çâåçä ïîòîêà îêàçàëñÿ íåäîïóñòèìî âûñîêèì: îò 30% äî âñåãî ëèøü 1% ñîëíå÷íîé! Êàê ìîãëî ðîäèòüñÿ èç îäíîãî îáëàêà ñòîëü ðàçíîðîäíîå ïîòîìñòâî? Êàê ñìîã ýòîò ïîòîê ñîõðàíèòüñÿ íà ïðîòÿæåíèè ìíîãèõ ìèëëèàðäîâ ëåò? Íåêîòîðûå àñòðîíîìû ïîëàãàþò, ÷òî âñå ýòè ñâîéñòâà ïîòîêà Àðêòóðà íàèëó÷øèì îáðàçîì ñîãëàñóþòñÿ ñ ãèïîòåçîé î òîì, ÷òî ýòè çâåçäû — ïðèøåëüöû! Ïî-âèäèìîìó, ìû íàáëþäàåì íåáîëüøóþ ÷àñòü îñòàíêîâ íåêîãäà ïîãëîùåííîé è ðàçðóøåííîé Ìëå÷íûì Ïóòåì êàðëèêîâîé ãàëàêòèêè. Êîíå÷íî, íåîáõîäèì äàëüíåéøèé àíàëèç, ÷òîáû ïîäòâåðäèòü ïðåäïîëîæåíèå î òîì, ÷òî Àðêòóð âìåñòå ñ íåêîòîðûìè äðóãèìè ÿðêèìè çâåçäàìè íåáîñâîäà ìîã ðîäèòüñÿ äàëåêî çà ïðåäåëàìè Ìëå÷íîãî Ïóòè. Íî ýòî ïðåäïîëîæåíèå íå ñòîëü óæ ðàäèêàëüíî. Åñëè âû âåðèòå â èåðàðõè÷åñêóþ ìîäåëü ôîðìèðîâàíèÿ Ãàëàêòèêè ïîñðåäñòâîì ñëèÿíèé è ïîãëîùåíèé ìåíüøèõ çâåçäíûõ ñèñòåì — ñîáûòèé, êîòîðûå â ðàííèå ýïîõè ñëó÷àëèñü íàìíîãî ÷àùå (ñì. ãëàâó 8), òî ýòà ãèïîòåçà õîðîøî â íåå âïèñûâàåòñÿ. Èìåííî ïîãëîùåííûå ãàëàêòèêè ìîãëè ïðèâíåñòè â äèñê Ìëå÷íîãî Ïóòè çíà÷èòåëüíóþ äîëþ ñòàðûõ çâåçä ñ íèçêîé ìåòàëëè÷íîñòüþ. Âõîæäåíèå ãàëàêòèêè-ñïóòíèêà â Ìëå÷íûé Ïóòü ìîãëî ïðîèçîéòè ìíîãî ìèëëèàðäîâ ëåò íàçàä. Åå ðàçðóøåíèå ïðèâåëî ê ïîÿâëåíèþ ìíîãî÷èñëåííîé ãðóïïû äâèæóùèõñÿ çâåçä, ÷èñëî êîòîðûõ èçìåðÿëîñü äåñÿòêàìè è ñîòíÿìè ìèëëèîíîâ! Ñî âðåìåíåì èõ îðáèòû ìîãëè «ðàçìàçàòüñÿ» ïî äèñêó ãàëàêòèêè ñêîëü óãîäíî øèðîêî, ïîëíîñòüþ ëèøèâ ïîòîê Àðêòóðà êëàññè÷åñêîé òðóáêîîáðàçíîé ôîðìû åãî ìîëîäûõ àíàëîãîâ. Ïðåäñòàâëåíèå î òîì, êàê ýòî ïðîèñõîäèëî, äàåò ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü ðàçðóøåíèÿ íåäàâíî îáíàðóæåííîé êàðëèêîâîé ãàëàêòèêè â ñîçâåçäèè Áîëüøîé Ïåñ (ðèñ. 5.12). Ñîáñòâåííî ãîâîðÿ, îáíàðóæåíû ëèøü îñòàòêè ýòîé ãàëàêòèêè è ðàñïëûâàþùèåñÿ ïîòîêè åå çâåçä. Òåì íå ìåíåå, êàê ïîêàçûâàåò ìîäåëèðîâàíèå, çâåçäû åùå äîëãî ñîõðàíÿþò îäèíàêîâûé óãëîâîé ìîìåíò è îäèíàêîâîå àïîöåíòðè÷åñêîå ðàññòîÿ-
170
Ãëàâà 5. Äâèæóùèåñÿ ãðóïïû çâåçä
Ðèñ. 5.12. Ìîäåëü ïðèëèâíîãî ðàçðóøåíèÿ êàðëèêîâîé ãàëàêòèêè «Áîëüøîé Ïåñ» (Canis Major Dwarf Galaxy). Ñëåâà ðàçðóøàþùàÿñÿ ãàëàêòèêà ïîêàçàíà âìåñòå ñî çâåçäàìè íàøåé ãàëàêòèêè. Ñïðàâà ïîêàçàíû òîëüêî çâåçäû ðàçðóøàþùåãîñÿ êàðëèêà, ÷òîáû ÿñíåå áûëè âèäíû åãî çâåçäíûå ïîòîêè.
íèå. Ñóäÿ ïî âñåìó, ó çâåçä ãðóïïû Àðêòóðà àïîöåíòðû îðáèò ðàñïîëàãàþòñÿ êàê ðàç âäîëü ãàëàêòè÷åñêîé îðáèòû Ñîëíöà, ãäå è «êó÷êóþòñÿ» òåñíåå âñåãî ÷ëåíû ýòîé ãðóïïû, ïîñêîëüêó ñêîðîñòü â àïîöåíòðå ìèíèìàëüíà. Ïîýòîìó ïðè âçãëÿäå íà Ãàëàêòèêó ñâåðõó ïîòîê Àðêóòðà âûãëÿäèò êàê êîëüöî ñ ïî÷òè îòñóòñòâóþùåé âíóòðåííåé ãðàíèöåé è î÷åíü ðåçêîé âíåøíåé. Ê ïîÿâëåíèþ êîëüöà ñ ðåçêîé âíåøíåé ãðàíèöåé è ìÿãêîé âíóòðåííåé ìîæåò ïðèâåñòè äðåéô àïîöåíòðîâ îòäåëüíûõ çâåçäíûõ îðáèò òðóáêè. Ïðè ýòîì àïîöåíòðû çâåçäíûõ îðáèò ðàñõîäÿòñÿ, ðàñïðåäåëÿÿñü âäîëü âíåøíåé ãðàíèöû êîëüöà. Çà ïðåäåëû ïîñëåäíåé îíè íèêîãäà íå âûõîäÿò, åñëè òîëüêî ñëó÷àéíîå âçàèìîäåéñòâèå íå ñîîáùèò èì äîïîëíèòåëüíîé ýíåðãèè ñâåðõ òîãî, ÷òî èìåëà èõ ìàòåðèíñêàÿ ãàëàêòèêà ïðè ðàñòâîðåíèè â Ìëå÷íîì Ïóòè. Òàêèå êîëüöà, íàçûâàåìûå îáîëî÷êàìè, àñòðîíîìû äàâíî óæå íàáëþäàþò â äðóãèõ ãàëàêòèêàõ, îñîáåííî ýëëèïòè÷åñêèõ. Íàïðèìåð, ó NGC 3923 èõ íåñêîëüêî Ðèñ. 5.13. Ýëëèïòè÷åñêàÿ ãàëàêòèêà (ðèñ. 5.13). Èõ ïðîèñõîæäåíèå ñâÿNGC 3923 ñ îáîëî÷êàìè. Òàêèå îáîëî÷- çûâàþò ñ ïîãëîùåííûìè çâåçäíûêè èëè êîëüöà íàõîäÿò ñåãîäíÿ âî ìíîìè ñèñòåìàìè. Äðóãîå äåëî óâèãèõ ãàëàêòèêàõ. Îíè ìîãóò ñóùåñòâîâàòü ãîðàçäî äîëüøå ïðèëèâíûõ òðó- äåòü òàêóþ îáîëî÷êó ó ñåáÿ íàä ãîëîâîé! Âûáðàâ Àðêòóð â êà÷åñòáîê — ìíîãèå ìèëëèàðäû ëåò.
5.6. Ïîòîê Àðêòóðà
171
âå «ñâÿçíîãî», ìû ñ æåíîé è íå ïðåäïîëàãàëè, ÷òî îáìåíèâàåìñÿ ïîñëàíèÿìè ÷åðåç ìîë÷àëèâîãî ñâèäåòåëÿ áóðíîé ýïîõè ðîæäåíèÿ Ìëå÷íîãî Ïóòè, ÷åðåç âíåãàëàêòè÷åñêîãî ïðèøåëüöà èç èíîé çâåçäíîé ñèñòåìû. À ÷òî åñëè ó íåãî ñîõðàíèëèñü ïëàíåòû? Òîëüêî ïðåäñòàâüòå: ïëàíåòû, ðîäèâøèåñÿ â ýïîõó, êîãäà ñïèðàëè Ìëå÷íîãî Ïóòè íà òàìîøíèõ íåáåñàõ ìîæíî áûëî ðàçãëÿäûâàòü ñî ñòîðîíû, à íàøåé Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû åùå íå áûëî è â ïîìèíå. Ìîæåò áûòü, íà îäíîé èç ýòèõ ïëàíåò òîæå åñòü àñòðîíîìû? Óæ îíè-òî òî÷íî çíàþò, ñêîëüêî ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ ó íàøåé ãàëàêòèêè è êàê îíè âûãëÿäÿò. Ñêîðåå âñåãî, îíè çíàþò íå òîëüêî ýòî, íî è ìíîãîå èç òîãî, ÷òî íàì íà Çåìëå åùå ïðåäñòîèò óçíàòü. À íå ïîäåëÿòñÿ ëè îíè ñ íàìè ñâîèì çíàíèåì? Çàìàí÷èâàÿ ïåðñïåêòèâà… Áåäà ëèøü â òîì, ÷òî ïëàíåòû ó çâåçä ñ ìàëîé ìåòàëëè÷íîñòüþ âñòðå÷àþòñÿ íå òàê ÷àñòî, äà åùå â òîì, ÷òî ìåæçâåçäíûå ïîñëàíèÿ, à òåì áîëåå ïåðåëåòû âñå åùå îñòàþòñÿ íåñáûòî÷íîé ìå÷òîé ÷åëîâå÷åñòâà. Âïðî÷åì, ðàññòîÿíèå äî Àðêòóðà áóäåò áëèçêî ê åãî íûíåøíåìó ìèíèìàëüíîìó çíà÷åíèþ åùå íå îäíó ñîòíþ òûñÿ÷ ëåò. Ýòî îáíàäåæèâàåò. Çà òàêîå âðåìÿ ëþäè, êîíå÷íî, ìíîãîå ïðèäóìàþò, è ìíîãîå ñòàíåò âîçìîæíûì. Àðêòóð íå òîðîïèò.
Ëèòåðàòóðà Eggen O. J. Notes from a Life in the Dark // Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 1993. Vol. 31. P. 1. Eggen O. J., Lynden-Bell D., Sandage A. R. Evidence from the motions of old stars that the Galaxy collapsed // Astrophys. J. 1962. Vol. 136. P. 748. Local Chimney and Superbubbles. http://www.solstation.com/x-objects/chimney.htm Õîëîïîâ Ï. Í. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ. Ì.: Íàóêà, 1981. Ãëàâà 4 «Äâèæóùèåñÿ ñêîïëåíèÿ, ìåñòíûå ïîòîêè è êèíåìàòè÷åñêèå çâåçäíûå ãðóïïû».
6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
Ãëàâà
ÑÏÈÐÀËÜÍÀß ÑÒÐÓÊÒÓÐÀ ÍÀØÅÉ ÃÀËÀÊÒÈÊÈ Â. Ñ. Àâåäèñîâà, Â. Ã. Ñóðäèí
6.1. Ìëå÷íûé Ïóòü — ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà Íàøà çâåçäíàÿ ñèñòåìà ïðèíàäëåæèò ê êëàññó ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê. Ñîëíöå ñ ïëàíåòàìè äâèæåòñÿ ïî÷òè òî÷íî â ïëîñêîñòè ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà, ñîñòîÿùåãî èç çâåçä ñðåäíåãî è þíîãî âîçðàñòà, ïðîñòðàíñòâî ìåæäó êîòîðûìè çàïîëíåíî ìåæçâåçäíûì ãàçîì è ïûëüþ. Èìåííî ïûëü, ïîãëîùàÿ ñâåò çâåçä, íå ïîçâîëÿåò èçó÷àòü â îïòè÷åñêîì äèàïàçîíå ñòðîåíèå äèñêà Ãàëàêòèêè íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ. Ïðàêòè÷åñêè âñå íàøè çíàíèÿ î çâåçäíîì íàñåëåíèè äèñêà îãðàíè÷åíû ðàññòîÿíèÿìè 3–4 êïê îò Ñîëíöà. Åñëè âñïîìíèòü, ÷òî ðàäèóñ ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà ñîñòàâëÿåò îêîëî 15 êïê, òî ñòàíîâèòñÿ ãðóñòíî îò îñîçíàíèÿ òîãî, ñêîëü ìàëàÿ åãî îáëàñòü èçó÷åíà äåòàëüíî. Ðàçóìååòñÿ, íà ïîìîùü îïòè÷åñêèì òåëåñêîïàì àñòðîíîìû ïðèâëåêàþò áîëåå «äàëüíîáîéíûå» èíôðàêðàñíûå òåëåñêîïû è ðàäèîòåëåñêîïû. Äëÿ íèõ ïûëü íå ïðåäñòàâëÿåò íåïðåîäîëèìîé ïðåãðàäû. Èíôðàêðàñíûå è îñîáåííî ðàäèîòåëåñêîïû ïîçâîëÿþò óâèäåòü ñàìûå îòäàëåííûå îáëàñòè Ìëå÷íîãî Ïóòè, íî ïî ÷åòêîñòè èçîáðàæåíèÿ ýòè äëèííîâîëíîâûå èíñòðóìåíòû ïîêà óñòóïàþò îïòè÷åñêèì. Ãëàâíîå èõ ïðåèìóùåñòâî — âîçìîæíîñòü ðåãèñòðàöèè àòîìàðíûõ è ìîëåêóëÿðíûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé îò ýìèññèîííûõ òóìàííîñòåé, õîëîäíûõ ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ, èñòî÷íèêîâ ìàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ è ò. ï. Ïî ýòèì ëèíèÿì áëàãîäàðÿ ýôôåêòó Äîïëåðà ñ âûñîêîé òî÷íîñòüþ îïðåäåëÿåòñÿ ëó÷åâàÿ ñêîðîñòü îáúåêòîâ îòíîñèòåëüíî Ñîëíöà, ò. å. ïðîåêöèÿ èõ îòíîñèòåëüíîé ñêîðîñòè íà ëèíèþ «Ñîëíöå—îáúåêò». À ïîñêîëüêó ãàçîîáðàçíûå îáúåêòû äâèæóòñÿ ïðåèìóùåñòâåííî ïî êðóãîâûì îðáèòàì â ïëîñêîñòè ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà, ýòî ñóùåñòâåííî îáëåã÷àåò ïîñòðîåíèå äèíàìè÷åñêîé ìîäåëè Ãàëàêòèêè. Îäíà èç âàæíåéøèõ è ïîêà íå ðåøåííûõ ïðîáëåì ãàëàêòè÷åñêîé àñòðîíîìèè — âûÿâëåíèå êðóïíîìàñøòàáíîé ñòðóêòóðû äèñêà è îïðåäåëåíèå ñòðîåíèÿ åãî ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ. Áëèæàéøèå ê Ñîëíöó ñïèðàëüíûå ðóêàâà âèäíû íåâîîðóæåííûì ãëàçîì íà íî÷íîì íåáå â âèäå Ìëå÷íîãî Ïóòè — ñâåòëûõ («ìîëî÷íûõ») ïîëîñ è ïÿòåí íåïðàâèëüíîé
6.1. Ìëå÷íûé Ïóòü — ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà
173
Ðèñ. 6.1. Îòêðûòèå ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû ãàëàêòèê íà÷àëîñü ñ ýòîãî ðèñóíêà òóìàííîñòè M51, ñäåëàííîãî ëîðäîì Ðîññîì ïðè íàáëþäåíèè â åãî ãèãàíòñêèé 1,8-ìåòðîâûé òåëåñêîï â ñåðåäèíå XIX â.
ôîðìû, òÿíóùèõñÿ ÷åðåç âåñü íåáîñâîä âäîëü ãàëàêòè÷åñêîãî ýêâàòîðà. Íà íàøåì ñåâåðíîì íåáå ýòè ìëå÷íûå ïîëîñû ìîæíî îòîæäåñòâèòü ñ îòðåçêàìè òðåõ ðóêàâîâ. Îäèí èç íèõ — Ïåðñååâ ðóêàâ, ïðîõîäÿùèé ÷åðåç ñîçâåçäèÿ Ïåðñåé, Âîçíè÷èé, Áëèçíåöû è Áîëüøîé Ïåñ. Âòîðîé ðóêàâ — Îðèîíîâ, èëè Ìåñòíûé, èäóùèé ÷åðåç ñîçâåçäèÿ Îðèîí è Ëåáåäü. À ñàìûé ÿðêèé è âûðàçèòåëüíûé — òðåòèé ðóêàâ, ïðîõîäÿùèé ÷åðåç ñîçâåçäèÿ Ñêîðïèîí, Ñòðåëåö è Îðåë. Åãî óäîáíåå âñåãî íàáëþäàòü èç Þæíîãî ïîëóøàðèÿ. Ìëå÷íûé Ïóòü íà íåáå îáðàçóåò ïî÷òè ïîëíûé êðóã. Ðóêàâ â Ñòðåëüöå íàõîäèòñÿ áëèæå ê öåíòðó Ãàëàêòèêè, ÷åì Ñîëíöå, è ïîýòîìó íàçûâàåòñÿ âíóòðåííèì ðóêàâîì, â îòëè÷èå îò Ïåðñååâà ðóêàâà, ðàñïîëîæåííîãî äàëüøå îò öåíòðà Ãàëàêòèêè, ÷åì Ñîëíöå, è ïîòîìó íàçûâàåìîãî âíåøíèì. Ðóêàâà â Ñòðåëüöå è Ïåðñåå âõîäÿò â ÷èñëî ãëàâíûõ ðóêàâîâ ñïèðàëüíîãî óçîðà Ãàëàêòèêè. Ìåæäó íèìè ðàñïîëîæåí Ìåñòíûé ðóêàâ, áëèæàéøèé ê Ñîëíöó; îí íå ïðèíàäëåæèò ê îñíîâíîìó óçîðó ãàëàêòè-
174
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
Ðèñ. 6.2. Ñîâðåìåííîå ôîòî öåíòðàëüíîé ÷àñòè ãàëàêòèêè Ì51 äåìîíñòðèðóåò ïî÷òè èäåàëüíî ñèììåòðè÷íóþ äâóõðóêàâíóþ ñïèðàëü, îáðàçîâàííóþ ÿðêèìè îáëàñòÿìè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ è îêîíòóðåííóþ ñ âíóòðåííåé ñòîðîíû ðóêàâîâ òåìíûìè ïðîæèëêàìè õîëîäíûõ ãàçîâî-ïûëåâûõ îáëàêîâ.
÷åñêîãî äèñêà èç-çà ñâîåé ñðàâíèòåëüíî ñëàáîé âûðàæåííîñòè, è ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê îòâåòâëåíèå îò îäíîãî èç îñíîâíûõ ðóêàâîâ, èëè æå âðåìåííàÿ ñòðóêòóðà.  íàïðàâëåíèè ñîçâåçäèÿ Ëåáåäü ìû ñìîòðèì êàê ðàç âäîëü Ìåñòíîãî ðóêàâà.
6.1. Ìëå÷íûé Ïóòü — ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà
175
Íàáëþäàÿ äðóãèå ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè, ìû îáû÷íî áåç òðóäà âèäèì íà ôîòîãðàôèÿõ èõ ñïèðàëüíûé óçîð. Îñîáåííî ÷åòêî ñïèðàëè âèäíû íà äèñêàõ ãàëàêòèê, îðèåíòèðîâàííûõ ê íàì ïëàøìÿ. Ïðàâäà, è â ýòîì ñëó÷àå íå âñåãäà ìîæíî ñ óâåðåííîñòüþ ñêàçàòü, ãäå íà÷èíàåòñÿ êîíêðåòíûé ðóêàâ, ãäå îí çàêàí÷èâàåòñÿ è äàæå ñêîëüêî ðóêàâîâ ó ãàëàêòèêè. Ïîïðîáóéòå, íàïðèìåð, ñîñ÷èòàòü, ñêîëüêî ðóêàâîâ ó ãàëàêòèêè NGC 1232 (ñì. ñ. 1 öâåòíîé âêëàäêè) è ïðîñëåäèòü êàæäûé èç íèõ îò öåíòðà äî êðàÿ äèñêà. Ñîâåðøåííî íåâîçìîæíî ðàçãëÿäåòü ñïèðàëüíûé óçîð äèñêîâîé ãàëàêòèêè â òîì ñëó÷àå, êîãäà îíà ïîâåðíóòà ê íàì ðåáðîì (ñì. ñ. 2 öâåòíîé âêëàäêè). Íåâîçìîæíî äàæå äîãàäàòüñÿ, ñóùåñòâóåò ëè âîîáùå íà äèñêå ñïèðàëüíûé óçîð. Íî ñèòóàöèÿ ñ íàøåé ðîäíîé ãàëàêòèêîé åùå õóæå: èçó÷àÿ Ìëå÷íûé Ïóòü ñ Çåìëè, ìû íå èìååì âîçìîæíîñòè íå òîëüêî óâèäåòü íàøó ãàëàêòèêó «â ïëàíå», íî è îêèíóòü åå âçãëÿäîì öåëèêîì. Äàæå åñëè áû ïûëü íå ìåøàëà îïòè÷åñêèì íàáëþäåíèÿì, ìû íå ñìîãëè áû, íàõîäÿñü â äèñêå, óâèäåòü åãî óçîð, êàê íåâîçìîæíî îêèíóòü âçãëÿäîì ñðàçó âåñü ãîðîä, áðîäÿ ïî åãî óëèöàì. Ïîýòîìó òðåáóåòñÿ îïðåäåëèòü ïîëîæåíèå â äèñêå ìíîæåñòâà çâåçä è òóìàííîñòåé, ïîñòðîèòü ïî ýòèì äàííûì êàðòó Ãàëàêòèêè, è ëèøü çàòåì ïî ýòîé êàðòå ìîæíî áóäåò èçó÷àòü ñòðóêòóðó Ãàëàêòèêè â öåëîì. Ãëàâíîå ïðè ïîñòðîåíèè òàêîé êàðòû — îïðåäåëèòü ðàññòîÿíèÿ äî îáúåêòîâ, ïîñêîëüêó íàïðàâëåíèå íà íèõ íàì èçâåñòíî. Íàáëþäàÿ Ãàëàêòèêó â ëþáîì íàïðàâëåíèè, ìû âèäèì â ïîëå çðåíèÿ ñâîåãî òåëåñêîïà ìíîæåñòâî îáúåêòîâ, ðàñïîëîæåííûõ íà ðàçíûõ ðàññòîÿíèÿõ îò íàñ. Âàæíåéøàÿ è òðóäíåéøàÿ çàäà÷à äëÿ àñòðîíîìà — âåðíî îïðåäåëèòü ðàññòîÿíèå äî êàæäîãî èç îáúåêòîâ. Ñàìûìè íàäåæíûìè ðåïåðàìè äëÿ èçìåðåíèÿ ðàññòîÿíèé â Ãàëàêòèêå ïîêà ñëóæàò çâåçäû. Èññëåäîâàíèå âíåøíèõ ãàëàêòèê ïîêàçàëî, ÷òî ìû îò÷åòëèâî âèäèì èõ ñïèðàëüíûå ðóêàâà áëàãîäàðÿ ñêîíöåíòðèðîâàííûì â íèõ ÿðêèì ìàññèâíûì çâåçäàì, çâåçäíûì àññîöèàöèÿì, ðàññåÿííûì ñêîïëåíèÿì è ñâåòëûì òóìàííîñòÿì. Èíûìè ñëîâàìè, ðóêàâà âûäåëÿþòñÿ ïîòîìó, ÷òî â íèõ èìååòñÿ áîëüøîé èçáûòîê ìîëîäûõ ãîðÿ÷èõ çâåçä è ñâåòÿùåãîñÿ ìåæçâåçäíîãî ãàçà.  ðàäèîäèàïàçîíå ñïèðàëüíûå ðóêàâà âèäíû áëàãîäàðÿ áîëüøèì ÿðêèì ïÿòíàì òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ îáëàñòåé èíòåíñèâíîãî çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Òàêèå îáëàñòè åñòü è â íàøåé ãàëàêòèêå, è â ñîñåäíèõ.  íèõ ìû âèäèì ìîëîäûå îáúåêòû, ñîïðîâîæäàþùèå ïðîöåññ ôîðìèðîâàíèÿ çâåçä â íåäðàõ ïëîòíûõ ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ.  ýòèõ îáëàñòÿõ ÷ðåçâû÷àéíî øèðîê äèàïàçîí ôèçè÷åñêèõ óñëîâèé — òåìïåðàòóðû è ïëîòíîñòè ãàçà, à òàêæå åãî àãðåãàòíîãî ñîñòîÿíèÿ: ðÿäîì ñ ÷ðåçâû÷àéíî õîëîä-
176
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
Ðèñ. 6.3. ×àñòü ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà. Ïî ïåðèìåòðó óêàçàíà ãàëàêòè÷åñêàÿ äîëãîòà (l). Òî÷êàìè îòìå÷åíî ïîëîæåíèå ìîëîäûõ ðàññåÿííûõ ñêîïëåíèé (ñòðåëêè óêàçûâàþò, ÷òî äàííîå ñêîïëåíèå ìîæåò ëåæàòü åùå äàëüøå). Êîíöåíòðàöèÿ ñêîïëåíèé ê Ñîëíöó (êðóæîê ñ òî÷êîé) ãîâîðèò ëèøü î òîì, ÷òî íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ îíè íå âèäíû. Öåíòð Ãàëàêòèêè — çà ïðåäåëàìè ðèñóíêà, â íàïðàâëåíèè l = 0°. Ëèíèÿìè íàìå÷åíû ïðåäïîëàãàåìûå îòðåçêè ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ (Vogt, Moffat, 1975).
íûì ìîëåêóëÿðíûì ãàçîì è òâåðäûìè ïûëèíêàìè íàõîäèòñÿ òåïëûé àòîìàðíûé ãàç è ãîðÿ÷àÿ ïëàçìà. Ïîýòîìó ñïèðàëüíûå ðóêàâà âèäíû è â ìîëåêóëÿðíûõ ëèíèÿõ (íàïðèìåð, ìîëåêóëû CO), è â ëèíèÿõ ÷àñòè÷íî èîíèçîâàííûõ ýëåìåíòîâ (îáëàñòè HII) âîêðóã ìîëîäûõ ìàññèâíûõ çâåçä, è â âèäå êîíöåíòðàöèè ìíîãî÷èñëåííûõ èíôðàêðàñíûõ èñòî÷íèêîâ — ìîëîäûõ çâåçä, îêðóæåííûõ ïûëüþ, è êàê îáëàñòè, áîãàòûå ìàçåðàìè, ò. å. ðàäèîèñòî÷íèêàìè, â êîòîðûõ èíòåíñèâíîñòü ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ìîëåêóë ãàçà óñèëåíà çà ñ÷åò ýôôåêòà âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ. Îíè îòëè÷àþòñÿ âûñîêîé ÿðêîñòíîé òåìïåðàòóðîé è ïîýòîìó âèäíû ïî âñåé Ãàëàêòèêå è â ñîñåäíèõ çâåçäíûõ ñèñòåìàõ. Îáû÷íî ìàçåðíîå èçëó÷åíèå âîçíèêàåò ïðè âçàèìîäåéñòâèè ìîùíîãî âåòðà îò íîâîðîæäåííûõ çâåçä ñ íåîäíîðîäíîñòÿìè îêîëîçâåçäíîãî ìîëåêóëÿðíîãî îáëàêà. Ïåðâûå êàðòû ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ íàøåé ãàëàêòèêè áûëè ïîëó÷åíû â 1950–1960-å ãã. íà îñíîâàíèè ðàñïðåäåëåíèÿ â ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè ìîëîäûõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé è îòäåëüíûõ çâåçä ñïåê-
6.2. Îïðåäåëåíèå ðàññòîÿíèé â Ãàëàêòèêå
177
òðàëüíûõ êëàññîâ O è B ñ áîëåå èëè ìåíåå òî÷íî èçìåðåííûìè ôîòîìåòðè÷åñêèìè ðàññòîÿíèÿìè (ðèñ. 6.3). Òîãäà æå âïåðâûå áûëè îïðåäåëåíû êîëè÷åñòâåííûå õàðàêòåðèñòèêè çàìå÷åííûõ îòðåçêîâ ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ. Ñ òåõ ïîð îíè íå ñèëüíî èçìåíèëèñü. Ïåðñååâ ðóêàâ íàõîäèòñÿ íà ðàññòîÿíèè îêîëî 2 êïê îò Ñîëíöà â íàïðàâëåíèè îò öåíòðà Ãàëàêòèêè, à ðóêàâ â Ñòðåëüöå — íà ðàññòîÿíèè îêîëî 1,5 êïê â íàïðàâëåíèè ê öåíòðó. Îáà ðóêàâà ïåðåñåêàþò êðóãîâûå îðáèòû çâåçä ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà ïî÷òè ïîä îäèíàêîâûì óãëîì, êîòîðûé, ïî îïðåäåëåíèÿì ðàçíûõ àâòîðîâ, ñîñòàâëÿåò îò 10° äî 20°. Ñïåöèàëèñòû íàçûâàþò åãî «óãëîì íàêëîíà» (à òàêæå «óãëîì çàêðó÷èâàíèÿ» èëè «óãëîì çàêðóòêè») ñïèðàëüíîãî ðóêàâà. Åñëè áû íåêèé ãèïîòåòè÷åñêèé ðóêàâ âûõîäèë ïðÿìîëèíåéíî èç öåíòðà Ãàëàêòèêè, êàê ñïèöà êîëåñà, òî åãî óãîë íàêëîíà áûë áû 90°, à åñëè áû îí íàïîìèíàë îáîä êîëåñà, òî 0°. Øèðèíà ðóêàâîâ â Ïåðñåå è Ñòðåëüöå — îò 1,0 äî 1,5 êïê. Ìåñòíûé ðóêàâ èìååò áîëüøèé íàêëîí, ÷åì ãëàâíûå ñïèðàëè, îêîëî 24°, è øèðèíó ìåíåå 1,0 êïê.
6.2. Îïðåäåëåíèå ðàññòîÿíèé â Ãàëàêòèêå Íàèáîëåå ïðÿìîé ìåòîä èçó÷åíèÿ ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû Ãàëàêòèêè — ýòî ïîñòðîåíèå åå èçîáðàæåíèÿ ïî ìîëîäûì çâåçäàì è çâåçäíûì ñêîïëåíèÿì ñ èçâåñòíûìè ðàññòîÿíèÿìè, ðàçóìååòñÿ, åñëè ðàññòîÿíèÿ îïðåäåëåíû ñ îøèáêàìè, ìåíüøèìè øèðèíû ðóêàâîâ. Íî òàêóþ âûñîêóþ òî÷íîñòü óäàåòñÿ ïîëó÷èòü òîëüêî ïðè èçìåðåíèè ðàññòîÿíèé äî ñðàâíèòåëüíî áëèçêèõ îáúåêòîâ. 6.2.1. Òðèãîíîìåòðè÷åñêèé ìåòîä Ñàìûé òî÷íûé ìåòîä îïðåäåëåíèÿ ðàññòîÿíèé äî çâåçä, êàê èçâåñòíî, îñíîâàí íà èçìåðåíèè èõ ãîäè÷íîãî ïàðàëëàêñà. Íî îí ïðèìåíèì ëèøü ê ñðàâíèòåëüíî áëèçêèì çâåçäàì. Íàçåìíûå íàáëþäåíèÿ ïîçâîëÿþò ñ õîðîøåé òî÷íîñòüþ îïðåäåëÿòü ïàðàëëàêñû çâåçä, óäàëåííûõ íà 30–40 ïê. Èñïîëüçîâàíèå êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ çàìåòíî óëó÷øèëî ñèòóàöèþ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ íàèáîëåå òî÷íîå è ìàññîâîå îïðåäåëåíèå çâåçäíûõ ïàðàëëàêñîâ ïðîäåëàíî â õîäå îáçîðà íåáà ñ ïîìîùüþ ñïóòíèêà Hipparcos. Äîñòîâåðíûå ïàðàëëàêñû ïîëó÷åíû äëÿ çâåçä ñ ðàññòîÿíèÿìè íå áîëåå 200 ïê. À ñïèðàëüíûå ðóêàâà óäàëåíû îò Ñîëíöà íà 500 ïê è áîëåå. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïàðàëëàêñîâ íà ðàññòîÿíèÿõ áîëåå 1 êïê òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ ïîëîæåíèé îáúåêòîâ äîëæíà áûòü âûøå 0,001², ÷òî ïîêà íåäîñòèæèìî â îïòèêå. Òàêóþ òî÷íîñòü ìîæåò îáåñïå÷èòü òîëüêî ðàäèîèíòåðôåðîìåòðèÿ ñ áîëüøîé áàçîé (VLBI). Äëÿ òî÷íîãî èçìå-
178
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
ðåíèÿ ðàññòîÿíèé òàêæå íåîáõîäèìà îäíîðîäíàÿ ãëîáàëüíàÿ ñèñòåìà êîîðäèíàò.  ïðîãðàììó ñïóòíèêà Hipparcos áûë âêëþ÷åí àñòðîìåòðè÷åñêèé îáçîð äàëåêèõ àêòèâíûõ ÿäåð ãàëàêòèê äëÿ ïîñòðîåíèÿ ãëîáàëüíîé êâàçèèíåðöèàëüíîé ñèñòåìû êîîðäèíàò, International Celestial Reference Frame (ICRF), ñâÿçàâøåé êîîðäèíàòû ãàëàêòè÷åñêèõ è âíåãàëàêòè÷åñêèõ îáúåêòîâ. Ýòà ñèñòåìà ñëóæèò òåïåðü îñíîâîé äëÿ âñåé àñòðîìåòðèè. Äîëãîå âðåìÿ òî÷íîñòü ãëîáàëüíîé àñòðîìåòðèè, ðàáîòàþùåé íà îñíîâå VLBI, áûëà îãðàíè÷åíà îøèáêàìè, ñðåäè êîòîðûõ íàèáîëåå çàìåòíûìè ÿâëÿëèñü ñòîõàñòè÷åñêèå ôëóêòóàöèè, âûçâàííûå àòìîñôåðíûì âîäÿíûì ïàðîì. Äëÿ ó÷åòà ýòèõ ôëóêòóàöèé áûë ðàçðàáîòàí ðàäèîìåòð âîäÿíîãî ïàðà. Ìåæêîíòèíåíòàëüíûå íàáëþäåíèÿ VLBI, êàëèáðîâàííûå òàêèì ðàäèîìåòðîì, äàëè â íåñêîëüêî ðàç ëó÷øèå ðåçóëüòàòû. Ýòî ïîçâîëèëî ñ 2000 ã. íà÷àòü ðàäèîàñòðîìåòðè÷åñêèå íàáëþäåíèÿ íåáåñíûõ îáúåêòîâ ñ VLBI. Íàèëó÷øèìè îáúåêòàìè äëÿ èçìåðåíèÿ ãîäè÷íûõ ïàðàëëàêñîâ îêàçàëèñü ìàçåðíûå èñòî÷íèêè â áëèçêèõ îáëàñòÿõ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Ýòî ñàìûå ÿðêèå îáúåêòû, áåç îñîáîãî òðóäà çàìåòíûå ïî÷òè â ëþáîì óãîëêå Ãàëàêòèêè. Ê òîìó æå îíè ñâÿçàíû ñ îáëàñòÿìè ôîðìèðîâàíèÿ ìàññèâíûõ çâåçä, ðàñïîëàãàþùèõñÿ â ñïèðàëüíûõ ðóêàâàõ. Äëÿ âûÿâëåíèÿ ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû Ãàëàêòèêè ëó÷øå âñåãî ïîäîøëè ìîùíûå ìàçåðû, èçëó÷àþùèå â ëèíèÿõ ìîëåêóë Í2O íà âîëíå 1,35 ñì; èñïîëüçóþò òàêæå è ìàçåðû íà ìîëåêóëàõ OH è ìåòàíîëà. Íî îïðåäåëåíèå ãîäè÷íûõ ïàðàëëàêñîâ ïî ìàçåðàì — øòó÷íàÿ ðàáîòà: èçìåðåíèå êàæäîãî ïàðàëëàêñà òðåáóåò íå ìåíåå ïîëóãîäà íàáëþäåíèé. Ïîëîæåíèå îáúåêòîâ îïðåäåëÿåòñÿ ìíîãî ðàç îòíîñèòåëüíî îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ ðåïåðíûõ èñòî÷íèêîâ, â êà÷åñòâå êîòîðûõ, êàê ïðàâèëî, èñïîëüçóþò âíåãàëàêòè÷åñêèå êîìïàêòíûå èñòî÷íèêè. Ýòèì ìåòîäîì îïðåäåëåíû ðàññòîÿíèÿ äî íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ ìàçåðîâ â äèàïàçîíå ðàññòîÿíèé îò 0,5 äî 10 êïê îò Ñîëíöà, òî÷íîñòü ðåçóëüòàòîâ îêîëî 10%. 6.2.2. Ôîòîìåòðè÷åñêèé ìåòîä Ïîñêîëüêó òî÷íûå ïàðàëëàêñû èçìåðÿþòñÿ ìåäëåííî, äëÿ ëîêàëèçàöèè ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà, ò. å. äëÿ èçìåðåíèÿ ðàññòîÿíèé äî áîëüøèõ ãðóïï çâåçä, îáû÷íî èñïîëüçóþò ôîòîìåòðè÷åñêèå ìåòîäû. Èõ îáùèé ïðèíöèï òàêîâ: åñëè â ïðîñòðàíñòâå ñâåò íå èñïûòûâàåò ïîãëîùåíèÿ, òî åãî ïîòîê âáëèçè íàáëþäàòåëÿ îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëåí êâàäðàòó ðàññòîÿíèÿ äî èñòî÷íèêà (ôîòîìåòðè÷åñêèé çàêîí, èëè çàêîí îáðàòíûõ êâàäðàòîâ). Ïîýòîìó, åñëè íàì èç êà-
6.2. Îïðåäåëåíèå ðàññòîÿíèé â Ãàëàêòèêå
179
êèõ-ëèáî ñîîáðàæåíèé èçâåñòíà ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ (ñâåòèìîñòü) îáúåêòà, òî, èçìåðèâ ïîòîê åãî èçëó÷åíèÿ âáëèçè Çåìëè, ëåãêî îïðåäåëèòü ðàññòîÿíèå äî îáúåêòà. Ê ñîæàëåíèþ, ýòè äâà «åñëè» ñóùåñòâåííî îñëîæíÿþò ïðèìåíåíèå ôîòîìåòðè÷åñêîãî çàêîíà. Âî-ïåðâûõ, êîñìè÷åñêîå ïðîñòðàíñòâî íå ìîæåò áûòü àáñîëþòíî ïðîçðà÷íûì, â íåì âñåãäà ïðîèñõîäèò ïîãëîùåíèå ñâåòà, ìåðó êîòîðîãî íåëåãêî áûâàåò îïðåäåëèòü. Âî-âòîðûõ, ðàçíîîáðàçèå ñâîéñòâ êîñìè÷åñêèõ îáúåêòîâ çàòðóäíÿåò âûÿâëåíèå ñðåäè íèõ «ñòàíäàðòíûõ ñâå÷åé», â ñâåòèìîñòè êîòîðûõ ìû ìîæåì áûòü çàðàíåå óâåðåíû. Îïòè÷åñêóþ ñâåòèìîñòü àñòðîíîìè÷åñêèõ èñòî÷íèêîâ òðàäèöèîííî âûðàæàþò â òåðìèíàõ àáñîëþòíîé çâåçäíîé âåëè÷èíû (M), êîòîðóþ îïðåäåëÿþò èç óðàâíåíèÿ M = m – A – 5 lg (r/10 ïê),
ãäå m — âèäèìàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà, A — ïîãëîùåíèå ñâåòà ìåæçâåçäíîé ïûëüþ, âûðàæåííîå â çâåçäíûõ âåëè÷èíàõ, r — ðàññòîÿíèå äî èñòî÷íèêà.  ñîîòâåòñòâèè ñ ýòèì îïðåäåëåíèåì àáñîëþòíàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà ðàâíà âèäèìîé çâåçäíîé âåëè÷èíå èñòî÷íèêà, íàáëþäàåìîãî ñ ðàññòîÿíèÿ 10 ïê ïðè îòñóòñòâèè ìåæçâåçäíîãî ïîãëîùåíèÿ ñâåòà. Âèäèìàÿ âåëè÷èíà èçìåðÿåòñÿ íåïîñðåäñòâåííî, à çíà÷åíèÿ M è A îáû÷íî îïðåäåëÿþò ïî ñïåêòðó çâåçäû. Äåëàåòñÿ ýòî òàê. Íàëè÷èå â ñïåêòðå ëèíèé îïðåäåëåííûõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ïîçâîëÿåò óçíàòü òåìïåðàòóðó ïîâåðõíîñòè çâåçäû. Ïî øèðèíå ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé îöåíèâàþò ïëîòíîñòü çâåçäíîé àòìîñôåðû, à çíà÷èò, è òèï çâåçäû: ó çâåçä-ãèãàíòîâ àòìîñôåðà ðàçðåæåííàÿ, à ó êàðëèêîâ ïëîòíàÿ. Çíàÿ òåìïåðàòóðó è òèï çâåçäû, íåñëîæíî îòíåñòè åå ê îïðåäåëåííîé ãðóïïå çâåçä íà äèàãðàììå Ãåðöøïðóíãà—Ðàññåëà, à çíà÷èò, óçíàòü èñòèííóþ ñâåòèìîñòü çâåçäû (M). Íàêîíåö, îïðåäåëèòü ñòåïåíü ìåæçâåçäíîãî ïîãëîùåíèÿ ñâåòà ïîìîãàåò òîò ôàêò, ÷òî ýòî ïîãëîùåíèå íîñèò ñåëåêòèâíûé õàðàêòåð: ïûëèíêè ïîãëîùàþò è ðàññåèâàþò ãîëóáûå ëó÷è â áîëüøåé ñòåïåíè, ÷åì êðàñíûå. Ïîýòîìó ÷åì áîëüøå ìåæçâåçäíîãî âåùåñòâà ìåæäó íàìè è çâåçäîé, òåì êðàñíåå åå èçîáðàæåíèå (ïî ýòîé æå ïðè÷èíå äèñêè Ëóíû è Ñîëíöà ó ãîðèçîíòà âûãëÿäÿò ïîêðàñíåâøèìè). Àñòðîíîìû çíàþò, êàêîé èñòèííûé, «íîðìàëüíûé» öâåò èìåþò çâåçäû ðàçíîãî òèïà ïðè îòñóòñòâèè ïîãëîùåíèÿ: èìåííî òàêîé öâåò èìåþò áëèçêèå çâåçäû, äëÿ êîòîðûõ ìåæçâåçäíîå ïîãëîùåíèå ñâåòà íè÷òîæíî ìàëî. Ñðàâíèâàÿ íàáëþäàåìûé öâåò çâåçäû ñ åå íîðìàëüíûì öâåòîì, óäàåòñÿ îïðåäåëèòü ñòåïåíü ïîãëîùåíèÿ (A). Ïîñëå ýòîãî â ïðèâåäåííîì âûøå ôîòîìåòðè÷åñêîì óðàâíåíèè îñòàåòñÿ òîëüêî îä-
180
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
Èíòåíñèâíîñòü ðàäèîñèãíàëà
C B A
0
B C
A
21 ñì Äëèíà âîëíû
Ðèñ. 6.4. Êèíåìàòè÷åñêèé ìåòîä èññëåäîâàíèÿ ñòðóêòóðû äèñêà Ãàëàêòèêè ïî ïðîôèëþ ëèíèè 21 ñì, îòðàæàþùåìó ðàñïðåäåëåíèå è äâèæåíèå íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà. Ñëåâà — ñõåìà ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû äèñêà; Î — íàáëþäàòåëü.  ïîëå çðåíèÿ åãî ðàäèîòåëåñêîïà íàõîäÿòñÿ òðè ó÷àñòêà ñïèðàëüíûõ âåòâåé, â êîòîðûõ ñîñðåäîòî÷åí ãàç. Èç-çà ðàçíîãî çíà÷åíèÿ èõ ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé îòíîñèòåëüíî Ñîëíöà ïðîôèëü ëèíèè 21 ñì (ñïðàâà) ïîëó÷àåòñÿ «òðåõãîðáûì».
íî íåèçâåñòíîå — ðàññòîÿíèå (r). Äëÿ çâåçä ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ O è B îøèáêà âåëè÷èíû (m – M – A), íàçûâàåìîé ìîäóëåì ðàññòîÿíèÿ, îáû÷íî íå ïðåâûøàåò 0,5m, ÷òî äàåò îøèáêó â îïðåäåëåíèè ðàññòîÿíèÿ îêîëî 30%. Ïîñêîëüêó ðàññòîÿíèå âõîäèò â óðàâíåíèå ïîä ëîãàðèôìîì, òî÷íîñòü åãî îïðåäåëåíèÿ ïðîïîðöèîíàëüíà ñàìîìó ðàññòîÿíèþ, ò. å. Dr µ r. Ýòî çíà÷èò, ÷òî ÷åì äàëüøå îò íàñ íàõîäèòñÿ çâåçäà, òåì ìåíåå òî÷íî ìû îïðåäåëÿåì åå ðàññòîÿíèå.  ñëó÷àå, åñëè çâåçäû Î è  ïðîýâîëþöèîíèðîâàëè ê ãèãàíòàì èëè ñâåðõãèãàíòàì, òî äàæå äëÿ áëèçêèõ çâåçä ðàññòîÿíèÿ î÷åíü íåòî÷íû èç-çà íåâîçìîæíîñòè óâåðåííî îïðåäåëèòü èõ êëàññ ñâåòèìîñòè, è îøèáêà â ìîäóëå ðàññòîÿíèÿ ìîæåò äîñòèãàòü 1–2 çâåçäíûõ âåëè÷èí. Êîíöåíòðàöèÿ ïûëè â ïëîñêîñòè Ãàëàêòèêè è ïîãðóæåííîñòü ìîëîäûõ çâåçä â òóìàííîñòè, îñòàâøèåñÿ îò ïðîöåññà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, ñèëüíî îãðàíè÷èâàþò âèäèìîñòü ýòèõ çâåçä è, ñëåäîâàòåëüíî, âîçìîæíîñòü îïðåäåëèòü ðàññòîÿíèå äî íèõ. Ïîýòîìó äîñòàòî÷íî òî÷íûå ðàññòîÿíèÿ äî ìîëîäûõ çâåçä ìîæíî ïîëó÷èòü òîëüêî â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà ðàäèóñîì îêîëî 3 êïê. Âïðî÷åì, äëÿ íåêîòîðûõ çâåçä äàæå â ýòîì ñëó÷àå îøèáêà èçìåðåíèÿ ìîæåò äîñòèãàòü 0,5–1,0 êïê, â çàâèñèìîñòè îò ñïåêòðàëüíîãî êëàññà è ñâåòèìîñòè çâåçäû. Íåìíîãèì òî÷íåå ïîëó÷àþòñÿ ðàññòîÿíèÿ äî çâåçäíûõ ñêîïëåíèé, íî è ýòè ðàññòîÿíèÿ ïî îïðåäåëåíèÿì ðàçíûõ àâòîðîâ èíîãäà ðàçëè÷àþòñÿ íà êèëîïàðñåêè.
6.2. Îïðåäåëåíèå ðàññòîÿíèé â Ãàëàêòèêå
181
6.2.3. Êèíåìàòè÷åñêèé ìåòîä Åùå îäíà âîçìîæíîñòü îïðåäåëèòü ðàññòîÿíèå äî îáúåêòà ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà ñâÿçàíà ñ îñîáåííîñòüþ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè. Åñëè áû äèñê Ãàëàêòèêè âðàùàëñÿ òâåðäîòåëüíî, êàê ãðàììîôîííàÿ ïëàñòèíêà èëè CD, òî ó îòäåëüíûõ åãî ÷àñòåé íå áûëî áû âçàèìíîãî ïåðåìåùåíèÿ. Îáðàùàÿñü ïî êðóãîâûì îðáèòàì âîêðóã öåíòðà Ãàëàêòèêè, çâåçäû è îáëàêà ãàçà íå èçìåíÿëè áû âçàèìíîãî ðàññòîÿíèÿ. Èõ ëó÷åâûå ñêîðîñòè äëÿ çåìíîãî íàáëþäàòåëÿ áûëè áû íóëåâûìè, à ñîáñòâåííîå äâèæåíèå (óãëîâîå ïåðåìåùåíèå) îòíîñèòåëüíî äàëåêèõ ãàëàêòèê ó âñåõ áûëî áû îäèíàêîâûì íåçàâèñèìî îò ðàññòîÿíèÿ. Ê ñ÷àñòüþ, ýòî íå òàê. Äèñê Ãàëàêòèêè âðàùàåòñÿ äèôôåðåíöèàëüíî, ò. å. ñ ðàçíîé óãëîâîé ñêîðîñòüþ íà ðàçíûõ ðàññòîÿíèÿõ îò öåíòðà. Ïîýòîìó îáúåêòû, íàõîäÿùèåñÿ íà ðàçíîì óäàëåíèè îò öåíòðà äèñêà, âçàèìíî ïåðåìåùàþòñÿ. Èçìåðÿÿ èõ ñêîðîñòè ïî äîïëåðîâñêîìó ñìåùåíèþ ëèíèé â ñïåêòðå, ìû ìîæåì óçíàòü, ãäå íàõîäÿòñÿ îáúåêòû. Ýòîò ìåòîä îïðåäåëåíèÿ ðàññòîÿíèé íàçûâàþò êèíåìàòè÷åñêèì. Ðàçóìååòñÿ, è ó íåãî åñòü ñâîè ïðîáëåìû. Âàæíåéøàÿ èç íèõ ñîñòîèò â òîì, ÷òî ïðèìåíèòü åãî ìîæíî, òîëüêî åñëè íàì èçâåñòíî, êàê çàâèñèò ñêîðîñòü âðàùåíèÿ äèñêà îò ðàññòîÿíèÿ äî åãî öåíòðà. Êàê ãîâîðÿò àñòðîíîìû, íóæíî çíàòü «êðèâóþ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè». Êðîìå òîãî, íàäî çíàòü ðàññòîÿíèå Ñîëíöà îò öåíòðà Ãàëàêòèêè (R0) è ñêîðîñòü âðàùåíèÿ âåùåñòâà â äèñêå íà ðàññòîÿíèè R0 îò öåíòðà, òî åñòü ñêîðîñòü ìåñòíîãî ñòàíäàðòà ïîêîÿ â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà (ñì. ðàçäåë 3.1).  ãëàâå 3 ìû îáîçíà÷àëè ýòó ñêîðîñòü êàê Vc , èìåÿ â âèäó, ÷òî ýòî ñêîðîñòü äâèæåíèÿ ïî êðóãîâîé (circular) îðáèòå ðàäèóñîì R0. Îäíàêî â ðàáîòàõ ïî èçó÷åíèþ ñòðóêòóðû ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà äëÿ ýòîé ñêîðîñòè ïðèíÿòî îáîçíà÷åíèå Q0, êîòîðîãî äàëåå áóäåì ïðèäåðæèâàòüñÿ è ìû. Äëÿ ïðîñòîòû áóäåì íàçûâàòü âåëè÷èíó Q0 ïðîñòî «ñêîðîñòüþ Ñîëíöà». Ê ñîæàëåíèþ, äî ñèõ ïîð ïàðàìåòðû R0 è Q0 îïðåäåëåíû íå î÷åíü òî÷íî, õîòÿ ïðîãðåññ íàëèöî. Íàêîíåö, ó êèíåìàòè÷åñêîãî ìåòîäà åñòü è ïðèíöèïèàëüíûé íåäîñòàòîê: ó âñåõ îáúåêòîâ, ëåæàùèõ âáëèçè ëèíèè «Ñîëíöå — öåíòð Ãàëàêòèêè», ëó÷åâàÿ ñêîðîñòü îòíîñèòåëüíî Ñîëíöà îäèíàêîâàÿ — íóëåâàÿ. Ïîýòîìó îïðåäåëèòü ðàññòîÿíèå äî íèõ ýòèì ìåòîäîì íåâîçìîæíî.  ÷àñòíîñòè, íåâîçìîæíî îïðåäåëèòü çíà÷åíèå R0. Ñ ýòèì ïðèõîäèòñÿ ìèðèòüñÿ è ïðèìåíÿòü äîïîëíèòåëüíûå ìåòîäû. Äëÿ èçìåðåíèÿ R0 èõ ïðåäëîæåíî áîëåå äþæèíû. Åñëè èçâåñòíà êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè w(R) è îïðåäåëåíû êîíñòàíòû Q0 è R0, òî ïî ëó÷åâîé ñêîðîñòè ëþáîãî îáúåêòà ëåãêî îïðåäå-
182
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
ëèòü åãî ðàññòîÿíèå îò öåíòðà Ãàëàêòèêè (R). Ðàññòîÿíèå æå îò Ñîëíöà (r) îïðåäåëÿåòñÿ ïî ýëåìåíòàðíîé ôîðìóëå R 2 = R 20 + r 2 - 2 rR 0 cos l ,
èç êîòîðîé âèäíî, ÷òî ðàññòîÿíèå r äëÿ îáüåêòîâ âíóòðåííåé Ãàëàêòèêè (òî åñòü âíóòðè ñîëíå÷íîãî êðóãà) èìååò äâà çíà÷åíèÿ, êîòîðûå íàçîâåì «áëèæíèì» è «äàëüíèì» ðàññòîÿíèÿìè îò Ñîëíöà. Âûáîð îäíîãî èç ýòèõ ðàññòîÿíèé äåëàåòñÿ íà îñíîâàíèè ðàçíûõ èçîùðåííûõ ìåòîäîâ, íî ýòè ìåòîäû ðàáîòàþò äàëåêî íå âñåãäà. Ïîýòîìó äëÿ áîëüøèíñòâà èñòî÷íèêîâ ñ èçâåñòíîé ëó÷åâîé ñêîðîñòüþ îáû÷íî ïðèâîäÿò äâà çíà÷åíèÿ ðàññòîÿíèÿ äî Ñîëíöà — áëèæíåå è äàëüíåå. Ïîìèìî íåîäíîçíà÷íîñòè, êèíåìàòè÷åñêèå ðàññòîÿíèÿ èìåþò è äðóãèå íåäîñòàòêè. Îøèáêè èõ îïðåäåëåíèÿ îêàçûâàþòñÿ äîâîëüíî áîëüøèìè èç-çà âëèÿíèÿ íåñêîëüêèõ ôàêòîðîâ. Íàïðèìåð, ðåàëüíûå ñêîðîñòè îáúåêòîâ äèñêà îòêëîíÿþòñÿ îò êðóãîâûõ. Ïðîèñõîäèò ýòî ïî ìíîãèì ïðè÷èíàì, íî îñíîâíûõ äâå. Âî-ïåðâûõ, ïðè ïðîõîæäåíèè ÷åðåç íåêîòîðóþ îáëàñòü äèñêà ñïèðàëüíîãî ðóêàâà, òî åñòü âîëíû ïëîòíîñòè, âñå îáúåêòû èñïûòûâàþò ãðàâèòàöèîííîå âîçìóùåíèå è äðóæíî ìåíÿþò ñâîþ ñêîðîñòü, íå î÷åíü ñèëüíî, íî âïîëíå çàìåòíî. Âî-âòîðûõ, íà ôîíå îáùåãî âðàùåíèÿ âîêðóã öåíòðà Ãàëàêòèêè âñå îáúåêòû èìåþò ñâîè õàîòè÷åñêèå ñêîðîñòè, êîòîðûå íàçûâàþò äèñïåðñèåé ñêîðîñòåé. Ó ìîëîäûõ îáúåêòîâ äèñêà — îáëàêîâ è çâåçä — îíà íå î÷åíü âåëèêà, ïîðÿäêà 10 êì/ñ. Íî, ñêëàäûâàÿñü, îøèáêè êèíåìàòè÷åñêèõ ðàññòîÿíèé äîñòèãàþò ïðèìåðíî 1 êïê, ÷òî âî âíóòðåííåé Ãàëàêòèêå ïðåâûøàåò ðàññòîÿíèå ìåæäó ðóêàâàìè.
6.3. Êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè 6.3.1. Ïðîôèëè ëèíèè 21 ñì Êðèâîé âðàùåíèÿ íàçûâàþò çàâèñèìîñòü ëèíåéíîé ñêîðîñòè êðóãîâîãî äâèæåíèÿ îáúåêòîâ ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà îò èõ ðàññòîÿíèÿ äî öåíòðà Ãàëàêòèêè, òî åñòü ôóíêöèþ V(R). Ýòèì æå òåðìèíîì íàçûâàþò è ñîîòâåòñòâóþùóþ çàâèñèìîñòü óãëîâîé ñêîðîñòè îáúåêòîâ ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà: w(R) = V(R)/R. Êðèâàÿ âðàùåíèÿ — êëþ÷åâàÿ õàðàêòåðèñòèêà Ãàëàêòèêè. Òî÷íîå çíàíèå ñêîðîñòåé äâèæåíèÿ âåùåñòâà ïî êðóãîâûì îðáèòàì íà ðàçíîì ðàññòîÿíèè îò öåíòðà ïîçâîëÿåò âû÷èñëÿòü ðàñïðåäåëåíèå ìàññû â Ãàëàêòèêå: â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè M(R) = V(R)2 R/G. Êàê æå îïðåäåëÿþò èç íàáëþäåíèé ýòè çàâèñèìîñòè? Êàê óæå áûëî ñêàçàíî, ïî íàáëþäàåìîé ëó÷åâîé ñêîðîñòè çâåçäû, ãàçîâîãî îáëàêà èëè äðóãîãî îáúåêòà ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà ìîæíî íàé-
183
6.3. Êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè
òè åãî ðàññòîÿíèå îò Ñîëíöà (êèíåìàòè÷åñêèé ìåòîä). Äëÿ âíóòðåííåé ÷àñòè Ãàëàêòèêè íàèáîëåå ïîëíàÿ êðèâàÿ âðàùåíèÿ ñòðîèòñÿ ïî íàáëþäåíèÿì ëèíèè èçëó÷åíèÿ ìåæçâåçäíîãî àòîìàðíîãî âîäîðîäà (HI), èìåþùåé äëèíó âîëíû 21 ñì (÷àñòîòà 1420 ÌÃö). Âàæíî, ÷òî äëÿ ýòîãî èçëó÷åíèÿ äèñê Ãàëàêòèêè ïðàêòè÷åñêè ïðîçðà÷åí. Êðèâûå âðàùåíèÿ ñòðîÿò è ïî ëèíèÿì èçëó÷åíèÿ ìåæçâåçäíûõ ìîëåêóë, íàïðèìåð, ìîëåêóëû CO.  îáùèõ ÷åðòàõ îíè ïîâòîðÿþò êðèâóþ âðàùåíèÿ, ïîëó÷åííóþ ïî HI. Íà ðèñ. 6.5. ïîêàçàíî, êàê ôîðìèðóåòñÿ ïðîôèëü ëèíèè èçëó÷åíèÿ íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà íà âîëíå 21 ñì. Íàáëþäåíèå âíóòðåííåé ÷àñòè Ãàëàêòèêè âåäåòñÿ îò Ñîëíöà â íàïðàâëåíèè BQC. Åñëè ëèíåéíàÿ ñêîðîñòü êðóãîâîãî äâèæåíèÿ ñëàáî çàâèñèò îò ðàññòîÿíèÿ äî öåíòðà, òî ìàêñèìàëüíîå äîïëåðîâñêîå ñìåùåíèå íàáëþäàåòñÿ â òî÷êå Q, ãäå âåêòîð ñêîðîñòè íàïðàâëåí ïî ëó÷ó çðåíèÿ.  òî÷êàõ B è C ëó÷åâûå ñêîðîñòè (Vr) îäèíàêîâû, ïîýòîìó ëèíèè èçëó÷åíèÿ ýòèõ îáëàñòåé íàêëàäûâàþòñÿ äðóã íà äðóãà, çàòðóäíÿÿ ðàñøèôðîâêó ñïåêòðà. Ñïðàâà íà ýòîì ðèñóíêå ïîêàçàíû íåìíîãî ñãëàæåííûå, íî âñå æå ðåàëüíûå ïðîôèëè ëèíèè 21 ñì, íàáëþäàåìûå íà ðàçíûõ ãàëàêòè÷åñêèõ äîëãîòàõ âäîëü Ìëå÷íîãî Ïóòè. Õîðîøî âèäíî, ÷òî íåèñêàæåííûå ãàóññîâû ïðîôèëè áåç äîïëåðîâñêîãî ñäâèãà ïðèõîäÿòñÿ íà äîëãîòû l = 0° (öåíòð Ãàëàêòèêè) è l = 180° (àíòèöåíòð). Íà ëó÷å çðåíèÿ, ïðîíèçûâàþùåì Ìëå÷íûé Ïóòü â íàïðàâëåíèè äîëãîòû l, íàáëþäàåòñÿ èçëó÷åíèå âîäîðîäà âî âñåì äèàïàçîíå ñêîðîñòåé, ñîîòâåòñòâóþùåì äàííîìó ñå÷åíèþ Ãàëàêòèêè.  ñèëó îòìå÷åííîãî âûøå ýôôåêòà ïðîåêöèè ìàêñèìàëüíàÿ íàáëþäàåìàÿ ëó÷åâàÿ ñêîðîñòü â äàííîì íàïðàâëåíèè (V rmax ) äîëæíà ñîîòâåòñòâîâàòü îáëàêàì, íàõîäÿùèìñÿ â òàê íàçûâàåìîé òàíãåíöèàëüíîé òî÷êå (Q), â êîòîðîé íàïðàâëåíèå âåêòîðà ñêîðîñòè âðàùåíèÿ ñîâïàäàåò ñ ëó÷îì çðåíèÿ. Ýòî ñàìàÿ áëèçêàÿ ê öåíòðó Ãàëàêòèêè òî÷êà íà ëó÷å çðåíèÿ. Åå îòíîñèòåëüíîå ðàññòîÿíèå îò ãàëàêòè÷åñêîãî öåíòðà ðàâíî R = sin l . R0
Èç ïðîñòûõ ãåîìåòðè÷åñêèõ ñîîáðàæåíèé ìû âèäèì, ÷òî V rmax = R 0 [w( R ) - w0 ]sin l ,
ãäå w0 = Q0/R0 — óãëîâàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ Ñîëíöà. Òàêèì îáðàçîì, äëÿ êàæäîãî çíà÷åíèÿ l ìû çíàåì îòíîñèòåëüíîå ðàññòîÿíèå òàíãåíöèàëüíîé òî÷êè (R/R0), à ïî èçìåðåííîìó â ýòîì íàïðàâëåíèè çíà÷åíèþ V rmax ìîæåì âû÷èñëèòü çíà÷åíèå R0[w(R) – w0]. ×åãî æå íàì íå
184
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
Ðèñ. 6.5. Ñëåâà — ñõåìà, ïîÿñíÿþùàÿ ôîðìèðîâàíèå ïðîôèëÿ ëèíèè 21 ñì; I — èíòåíñèâíîñòü ðàäèîñèãíàëà. Ñïðàâà — íàáëþäàåìûå ïðîôèëè ëèíèè 21 ñì íà ðàçíûõ ãàëàêòè÷åñêèõ äîëãîòàõ. Âíèçó ïîêàçàíà øêàëà îòêëîíåíèÿ ÷àñòîòû ïðèíÿòîãî èçëó÷åíèÿ îò èñïóùåííîãî (âåðòèêàëüíàÿ ëèíèÿ íà ÷àñòîòå 1420 ÌÃö) è ñîîòâåòñòâóþùàÿ åé øêàëà äîïëåðîâñêèõ ñêîðîñòåé.
õâàòàåò, ÷òîáû íàéòè êðèâóþ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè, òî åñòü ôóíêöèþ w(R)? Çíà÷åíèé äâóõ êîíñòàíò: R0 — ðàññòîÿíèÿ Ñîëíöà îò öåíòðà Ãàëàêòèêè è Q0 — ñêîðîñòè äâèæåíèÿ Ñîëíöà âîêðóã ýòîãî öåíòðà. Èõ îïðåäåëåíèåì àñòðîíîìû çàíèìàþòñÿ äàâíî è óïîðíî, âåäü ýòî èìåííî òå ìàñøòàáíûå âåëè÷èíû, êîòîðûå ïîçâîëÿþò «ïðåâðàòèòü» ñõåìó Ãàëàêòèêè â ðåàëüíûé îáúåêò — óçíàòü åå èñòèííûé ðàçìåð è ìàññó. Áîëåå òîãî: îò èõ çíà÷åíèÿ â íåìàëîé ñòåïåíè çàâèñèò ïîñòðîåíèå âñåé ëåñòíèöû êîñìè÷åñêèõ ðàññòîÿíèé, âêëþ÷àÿ ðàññòîÿíèÿ äî äàëåêèõ ãàëàêòèê, è äàæå çíà÷åíèå âîçðàñòà ñàìîé Âñåëåííîé. 6.3.2. Îïðåäåëåíèå R0 è Q0 Ìåòîäû îïðåäåëåíèÿ ðàññòîÿíèÿ äî öåíòðà Ãàëàêòèêè âåñüìà ðàçíîîáðàçíû (Surdin, 1999). Ìíîãèå èç íèõ îñíîâûâàþòñÿ íà ïðåäïîëàãàå-
6.3. Êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè
185
ìûõ ñâîéñòâàõ ñèììåòðèè Ãàëàêòèêè: åñëè ìû óìååì îïðåäåëÿòü ðàññòîÿíèÿ äî îáúåêòîâ îïðåäåëåííîãî òèïà (öåôåèä, øàðîâûõ ñêîïëåíèé, êðàñíûõ ãèãàíòîâ â áàëäæå) è ïîëàãàåì, ÷òî îíè ðàñïðåäåëåíû ñèììåòðè÷íî âîêðóã ãàëàêòè÷åñêîãî öåíòðà, òî ðàññòîÿíèå äî «öåíòðà ìàññ» ñîâîêóïíîñòè ýòèõ îáúåêòîâ êàê ðàç è áóäåò ðàññòîÿíèåì äî öåíòðà Ãàëàêòèêè. Èäåÿ õîðîøàÿ, íî äëÿ åå ðåàëèçàöèè íåîáõîäèìî îáíàðóæèòü âñå îáúåêòû óêàçàííîãî òèïà, à ñäåëàòü ýòî ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíî. Îñîáåííî òðóäíî íàõîäèòü çâåçäû è äàæå èõ ñêîïëåíèÿ ïî òó ñòîðîíó ãàëàêòè÷åñêîãî öåíòðà. Ïåðâóþ îöåíêó R0 ñäåëàë â 1918 ã. Õàðëîó Øåïëè: ïî ðàñïðåäåëåíèþ øàðîâûõ ñêîïëåíèé â Ãàëàêòèêå îí ïîëó÷èë R0 » 13 êïê. À â 1947 ã. ïî ðàñïðåäåëåíèþ çâåçä Áîðèñ Âàñèëüåâè÷ Êóêàðêèí ïîëó÷èë R0 = 7,2 êïê. Âñå îñòàëüíûå îïðåäåëåíèÿ âïëîòü äî íàøèõ äíåé ïðàêòè÷åñêè íå âûõîäÿò èç ýòîãî äèàïàçîíà. Âî èçáåæàíèå ðàçíîáîÿ Ìåæäóíàðîäíûé àñòðîíîìè÷åñêèé ñîþç â 1964 ã. ðåêîìåíäîâàë èñïîëüçîâàòü çíà÷åíèå R0 = 10 êïê è ñîîòâåòñòâóþùåå åìó çíà÷åíèå ñêîðîñòè Ñîëíöà Q0 = 250 êì/ñ. Íî ïîä íàæèìîì íîâûõ îïðåäåëåíèé â 1985 ã. ðåêîìåíäàöèÿ ÌÀÑ èçìåíèëàñü: R0 = 8,5 êïê è Q0 = 220 êì/ñ. Òàêîé îíà îñòàåòñÿ äî ñèõ ïîð, ïîñêîëüêó îøèáêà îïðåäåëåíèÿ R0 åùå íåäàâíî ñîñòàâëÿëà îêîëî 1 êïê. Ïðàâäà, â ïîñëåäíèå ãîäû â ýòîì äåëå íàáëþäàåòñÿ ïðîãðåññ. Íàïðèìåð, íåäàâíî áûëà ïðåäïðèíÿòà ïîïûòêà îïðåäåëèòü R0 ïî íàáëþäåíèþ çâåçä â ñàìîì öåíòðå Ãàëàêòèêè.  ðåçóëüòàòå 16-ëåòíåãî ìîíèòîðèíãà çâåçäíûõ îðáèò âîêðóã íàõîäÿùåéñÿ òàì ìàññèâíîé ÷åðíîé äûðû ñ èñïîëüçîâàíèåì òåõíèêè âûñîêîãî ðàçðåøåíèÿ â áëèæíåì èíôðàêðàñíîì äèàïàçîíå ïîëó÷åíî R0 = 8,33 ± 0,35 êïê. Ñåãîäíÿ ýòî îäíà èç íàèáîëåå òî÷íûõ îöåíîê ðàññòîÿíèÿ äî öåíòðà Ãàëàêòèêè. Åñòü óñïåõè è â èçìåðåíèè âåëè÷èíû Q0. Íàáëþäåíèÿ ñî ñïóòíèêà Hipparcos ïîçâîëèëè íàéòè ñîáñòâåííûå äâèæåíèÿ 1352 ìîëîäûõ çâåçä ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ O–B5 è îöåíèòü ïî íèì ñêîðîñòü ãàëàêòè÷åñêîãî âðàùåíèÿ íà ðàññòîÿíèè Ñîëíöà (ïîëàãàÿ R0 = 8,5 êïê): Q0 = 269 ±12 êì/ñ. Îäíàêî ïî öåôåèäàì ýòà ñêîðîñòü ïîëó÷èëàñü èíîé: Q0 = 243 ±12 êì/c. Ïîçæå íà îñíîâàíèè ñîáñòâåííûõ äâèæåíèé è ðàäèàëüíûõ ñêîðîñòåé 240 çâåçä ñïåêòðàëüíîãî êëàññà O–B5 áûëî ïîëó÷åíî çíà÷åíèå Q0 = 256 ± 8 êì/ñ. Íåäàâíî ïîÿâèëàñü åùå îäíà âîçìîæíîñòü îïðåäåëåíèÿ ïàðàìåòðîâ Ãàëàêòèêè. Ãëóáîêèé îáçîð íåáà SDSS ïîçâîëèë îáíàðóæèòü äëèííûé (îêîëî 63°) è óçêèé (ìåíåå 1°) ïîòîê çâåçä â ñåâåðíîé ïîëÿðíîé îáëàñòè Ãàëàêòèêè, íàçâàííûé GD-1 è ïðåäïîëîæèòåëüíî îñòàâøèéñÿ îò øàðîâîãî ñêîïëåíèÿ, ðàçðóøåííîãî ïðèëèâíûìè ñèëàìè Ãàëàê-
186
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
Ðèñ. 6.6. Ðàññòîÿíèå äî öåíòðà Ãàëàêòèêè (R0), èçìåðåííîå ðàçëè÷íûìè ìåòîäàìè â ïîñëåäíåé ÷åòâåðòè ÕÕ â., ïðèâåëî Ìåæäóíàðîäíûé àñòðîíîìè÷åñêèé ñîþç (ÌÀÑ) ê íåîáõîäèìîñòè ñíèçèòü â 1985 ã. ðåêîìåíäîâàííîå çíà÷åíèå R0 ñ 10 êïê äî 8,5 êïê. Íî è ýòî çíà÷åíèå âûãëÿäèò íåìíîãî çàâûøåííûì.
òèêè (ïðåäñòàâëåíèå îá ýòîì ÿâëåíèè äàåò ñ. 16 öâåòíîé âêëàäêè). Èñïîëüçóÿ êàòàëîãè SDSS è USNO B1.0, óäàëîñü îïðåäåëèòü ïàðàìåòðû çâåçä ýòîãî ïîòîêà, âêëþ÷àÿ èõ ðàññòîÿíèå, ñîáñòâåííîå äâèæåíèå è ðàäèàëüíûå ñêîðîñòè. Ïîñòðîèâ ïî ýòèì äàííûì äèíàìè÷åñêóþ ìîäåëü Ãàëàêòèêè, àâòîðû ñðåäè ïðî÷åãî ïîëó÷èëè è çíà÷åíèå êðóãîâîé ñêîðîñòè Ñîëíöà Q0 = 221 ± 18 êì/ñ. Íå óòðóæäàÿ ÷èòàòåëÿ ïåðå÷èñëåíèåì âñåõ íîâûõ ìåòîäîâ è ðåçóëüòàòîâ â ýòîé îáëàñòè, îòìåòèì, ÷òî êîìáèíàöèÿ íåñêîëüêèõ ïîñëåäíèõ ðàáîò äàåò ñåé÷àñ (2012 ã.) ñëåäóþùèå íàèëó÷øèå çíà÷åíèÿ äëÿ ïðîñòîé ñèììåòðè÷íîé ìîäåëè Ãàëàêòèêè: R0 = 8,3 ± 0,23 êïê è
6.3. Êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè
187
Q0 = 236 ± 11 êì/ñ. Îäíàêî èññëåäîâàíèÿ ïîñëåäíåãî âðåìåíè, îñíîâàííûå íà äàííûõ íîâûõ ãëóáîêèõ îáçîðîâ íåáà (SDSS, 2MASS, DENIS, UKIDSS è äð.), ïîêàçàëè, ÷òî ïðåæíÿÿ óïðîùåííàÿ ìîäåëü Ãàëàêòèêè íå ñîîòâåòñòâóåò íàáëþäåíèÿì. Ãàëàêòèêà íå îñåñèììåòðè÷íà, ïîýòîìó äëÿ íåêîòîðûõ åå ïàðàìåòðîâ òðåáóåòñÿ áîëåå ñëîæíàÿ ìîäåëü. Ïîêà ìû ìîæåì ãîâîðèòü ëèøü î ãðàíèöàõ, â êîòîðûõ çàêëþ÷åíû èñêîìûå âåëè÷èíû, à èìåííî 6,5 êïê < R0 < 9,5 êïê è 185 êì/c < Q0 < 260 êì/c. Íî ïðè ýòîì îòíîøåíèå Q0 / R0 äëÿ áîëüøèíñòâà ìîäåëåé Ãàëàêòèêè çàêëþ÷åíî â äîâîëüíî óçêîì èíòåðâàëå: îò 25 äî 30 êì/(ñ · êïê). Êàê âèäèì, â îòíîøåíèè âàæíåéøèõ ïàðàìåòðîâ Ãàëàêòèêè (R0, Q0) ñåé÷àñ ñëîæèëàñü ñèòóàöèÿ, ïîäîáíàÿ òîé, ÷òî áûëà â îòíîøåíèè ïàðàìåòðà Õàááëà (H0) ëåò 20 íàçàä. Òîãäà ñðåäè ñïåöèàëèñòîâ áûëî íåñêîëüêî ãðóïï, êàæäàÿ èç êîòîðûõ ïðåäïî÷èòàëà ïîëüçîâàòüñÿ ñâîèì çíà÷åíèåì H0: äâå ãðóïïû íàáëþäàòåëåé èñïîëüçîâàëè ïîëó÷åííûå èìè çíà÷åíèÿ, ñîîòâåòñòâåííî 50 è 100 êì/(ñ · Ìïê), à òåîðåòèêè ïðåäïî÷èòàëè çíà÷åíèå H0 = 75 êì/(ñ · Ìïê). Ðàçóìååòñÿ, íåîïðåäåëåííîñòü ñ ïàðàìåòðàìè Ãàëàêòèêè ñåãîäíÿ íå íàñòîëüêî âåëèêà. Òåì íå ìåíåå àâòîðû íåêîòîðûõ ïóáëèêàöèé «íà âñÿêèé ñëó÷àé» ïðèâîäÿò ñâîè âûâîäû ñðàçó äëÿ íåñêîëüêèõ âàðèàíòîâ êîíñòàíò. Íàïðèìåð, â ðàáîòå Hou et al. (2009) ìîäåëü ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû Ãàëàêòèêè ïîñòðîåíà äëÿ çíà÷åíèé (R0, Q0), ðàâíûõ (8,5 êïê, 220 êì/ñ), (8,0 êïê, 220 êì/ñ) è (8,4 êïê, 254 êì/ñ). Ïðè ýòîì âûÿñíÿåòñÿ, ÷òî âñå òðè ïàðû êîíñòàíò ïðèâîäÿò ê ïî÷òè îäèíàêîâîìó ñîãëàñèþ ñ íàáëþäåíèÿìè. Ñëåäîâàòåëüíî, ðàáîòà â ýòîé îáëàñòè åùå ïðåäñòîèò. 6.3.4. Âðàùåíèå Ãàëàêòèêè Äëÿ ïîñòðîåíèÿ ìîäåëåé Ãàëàêòèêè âàæíî îïðåäåëèòü õîä êðèâîé âðàùåíèÿ íå òîëüêî âíóòðè ñîëíå÷íîãî êðóãà, íî è íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ îò öåíòðà. Çíàíèå êðèâîé âðàùåíèÿ âî âíåøíåé îáëàñòè Ãàëàêòèêè äàåò â ðóêè àñòðîíîìà î÷åíü ïîëåçíûé èíñòðóìåíò: çà ïðåäåëàìè ñîëíå÷íîãî êðóãà ëó÷ çðåíèÿ òåëåñêîïà ëèøü åäèíîæäû ïåðåñåêàåò êàæäóþ ãàëàêòîöåíòðè÷åñêóþ îêðóæíîñòü, ïîýòîìó êèíåìàòè÷åñêèå ðàññòîÿíèÿ äî çâåçä è äðóãèõ îáúåêòîâ ïîëó÷àþòñÿ âïîëíå îïðåäåëåííûå, áåç «áëèæíåãî» è «äàëüíåãî» âàðèàíòîâ. Íî ñàìà êðèâàÿ âðàùåíèÿ âî âíåøíåé Ãàëàêòèêå îïðåäåëÿåòñÿ ïî ôîòîìåòðè÷åñêèì ðàññòîÿíèÿì äî çâåçä, åñòåñòâåííî, ñ ãîðàçäî ìåíüøåé òî÷íîñòüþ (îñîáåííî íà óäàëåíèè áîëåå 3 êïê îò Ñîëíöà), ÷åì îïðåäåëÿåòñÿ ðàññòîÿíèå äî îáëàêîâ ãàçà âíóòðè ñîëíå÷íîãî êðóãà. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòè èçìåðÿåòñÿ äîïëåðîâñêèé ñäâèã ðåêîìáèíàöèîííûõ ëèíèé âîäîðîäà â äèôôóçíûõ òóìàííîñòÿõ, âîçáóæ-
Cêîðîñòü âðàùåíèÿ, êì/c
188
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
200
Ñåêòîðû âíóòðè îðáèòû Ñîëíöà
100
ñåâåðíûé þæíûé
2
4
6
8
10
R, êïê
Ðèñ. 6.7. Êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè, ïîëó÷åííàÿ Ìàðòèíîì Øìèäòîì â 1956 ã. íà îñíîâå âñåõ èìåâøèõñÿ òîãäà íàáëþäåíèé Ìëå÷íîãî Ïóòè â ëèíèè 21 ñì. Ñïëîøíàÿ ëèíèÿ — ìîäåëüíàÿ êðèâàÿ; ïóíêòèð — íåíàäåæíàÿ îáëàñòü.
äàåìûõ OB-çâåçäàìè, èëè ñäâèã ìîëåêóëÿðíûõ ëèíèé, ðîæäàþùèõñÿ â õîëîäíûõ îáëàêàõ, îáû÷íî ñîïðîâîæäàþùèõ ìîëîäûå çâåçäû. Ëó÷åâûå ñêîðîñòè, èçìåðåííûå ïî ìîëåêóëÿðíûì ëèíèÿì, íàìíîãî òî÷íåå ñêîðîñòåé, îïðåäåëåííûõ ïî ñïåêòðàì çâåçä èëè ðåêîìáèíàöèîííûì ëèíèÿì âîäîðîäà, òàê êàê øèðèíû ëèíèé õîëîäíîãî ãàçà ìíîãî ìåíüøå øèðèí ëèíèé ãîðÿ÷åãî ãàçà çâåçäíûõ àòìîñôåð è îáëàñòåé HII. Íî âñå æå îñíîâíûì èñòî÷íèêîì îøèáîê ÿâëÿþòñÿ íå ëó÷åâûå ñêîðîñòè, à íåòî÷íîñòü îïðåäåëåíèÿ ðàññòîÿíèé. Âïåðâûå êðèâûå âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè è ñîîòâåòñòâóþùèå èì ìîäåëè ðàñïðåäåëåíèÿ ìàññû â íåé ïîÿâèëèñü â êîíöå 1950-õ ãã., ñðàçó ïîñëå ïåðâûõ îáçîðîâ Ìëå÷íîãî Ïóòè â ëèíèè 21 ñì. Àâòîðîì ïåðâîé îñíîâàííîé íà ýòèõ íàáëþäåíèÿõ ìîäåëè â 1956 ã. ñòàë ãîëëàíäñêèé àñòðîíîì Ìàðòèí Øìèäò (ïîçæå îí ïåðååõàë â ÑØÀ è îòêðûë êâàçàðû).  ïåðâîé ìîäåëè Øìèäòà êðóãîâàÿ ñêîðîñòü íà îðáèòå Ñîëíöà (áûëî ïðèíÿòî R0 = 8,2 êïê) ñîñòàâëÿëà Q0 =216 êì/ñ è ñ ðîñòîì R ïîíèæàëàñü. Îñîáåííî ðåçêî ñêîðîñòü óìåíüøàëàñü çà ðóêàâîì Ïåðñåÿ, ïðèíèìàÿ ïðàêòè÷åñêè êåïëåðîâó ôîðìó (V µ R–1/2), õàðàêòåðíóþ äëÿ ïóñòîãî ïðîñòðàíñòâà âîêðóã ìàññèâíîãî òåëà, êàê â Ñîëíå÷íîé ñèñòåìå. Ýòî óêàçûâàëî íà áëèçîñòü ãðàíèöû Ãàëàêòèêè, ïîëíàÿ ìàññà êîòîðîé â òàêîé ìîäåëè ñîñòàâèëà îêîëî 0,8 · 1011 MA.  1965 ã. Øìèäò óòî÷íèë ñâîþ ìîäåëü, èñïîëüçóÿ íîâûå ðåêîìåíäàöèè ÌÀÑ: R0 = 10 êïê, Q0 = 250 êì/ñ. Ìîäåëü ñòàëà íåìíîãî ìàññèâíåå, íî è â íåé êðèâàÿ âðàùåíèÿ çà ñîëíå÷íûì êðóãîì âñå ðàâíî ðåçêî óõîäèëà âíèç, îáîçíà÷àÿ êðàé Ãàëàêòèêè.
6.3. Êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè
189
Ðèñ. 6.8. Êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè, ïîëó÷åííàÿ Ä. Êëåìåíñîì â 1985 ã. íà îñíîâå íàáëþäåíèÿ ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ.
Êðèâàÿ âðàùåíèÿ, ïîñòðîåííàÿ Øìèäòîì, äîëãî ñ÷èòàëàñü äîñòîâåðíîé è ñëóæèëà îñíîâàíèåì äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ Ãàëàêòèêè. Íî â íà÷àëå 1980-õ ãã. ñòàëè ïóáëèêîâàòüñÿ ïåðâûå îáçîðû ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ, ðàñïîëîæåííûõ äàëüøå îò öåíòðà, ÷åì Ïåðñååâ ðóêàâ. Îíè èçìåíèëè ïðåäñòàâëåíèå î ãðàíèöå Ãàëàêòèêè: îêàçàëîñü, ÷òî êðèâàÿ âðàùåíèÿ ïîñëå íåáîëüøîãî ìèíèìóìà íà Ïåðñååâîì ðóêàâå ñíîâà èäåò ââåðõ, à çàòåì ñòàíîâèòñÿ ïëîñêîé. Íàïðèìåð, â 1985 ã. Äýí Êëåìåíñ ïî íàáëþäåíèÿì ìîëåêóëû CO ïîñòðîèë êðèâóþ âðàùåíèÿ, êîòîðàÿ ïðè R > 13 êïê âûõîäèò íà ïîñòîÿííîå çíà÷åíèå îêîëî 263 êì/ñ äëÿ (R0 = 10 êïê, Q0 = 250 êì/ñ) èëè îêîëî 235 êì/ñ äëÿ (R0 = 8,5 êïê, Q0 = 220 êì/ñ). Êðèâàÿ îñòàâàëàñü ïëîñêîé ïî êðàéíåé ìåðå äî R = 17 êïê. Íà ýòî æå óêàçûâàëè è íîâûå ìîäåëè, ïîñòðîåííûå ïî íàáëþäåíèÿì àòîìàðíîãî âîäîðîäà è îáëàñòåé HII (ðèñ. 6.9). Òîãäà æå ïîÿâèëèñü äàííûå î êèíåìàòèêå ãàëàêòèê Ìåñòíîé ãðóïïû. Îíè ñâèäåòåëüñòâîâàëè î òîì, ÷òî êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè íå ïàäàåò äî ðàññòîÿíèé â äåñÿòêè êèëîïàðñåêîâ îò öåíòðà. À ïîñêîëüêó âèäèìîãî âåùåñòâà, òî åñòü çâåçä è ãàçà, íà ýòèõ ðàññòîÿíèÿõ îò öåíòðà ïðàêòè÷åñêè íå âèäíî, ñòàëî ÿñíî, ÷òî ó Ãàëàêòèêè åñòü î÷åíü ìàññèâíîå íåâèäèìîå ãàëî.  ïîñëåäíèå ãîäû «ñòàíäàðòíîé êðèâîé âðàùåíèÿ» ÷àñòî íàçûâàþò òó, êîòîðóþ ïîëó÷èëè Brand è Blitz (1993). Îíè âîñïîëüçîâàëèñü
190
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
Ðèñ. 6.9. Êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè, êîòîðóþ â 1987 ã. ïîëó÷èëè Êðèñòåí Ðîëüôñ è Èîãàíí Êðåé÷ìàí ïî ëèíèè àòîìàðíîãî âîäîðîäà (HI) è îáëàñòÿì HII â ïðåäïîëîæåíèè R0 = 7,9 êïê è Q0 = 184 êì/ñ.
òåì, ÷òî íà ïîâåðõíîñòè ìàññèâíûõ õîëîäíûõ ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ ÷àñòî íàáëþäàþòñÿ îáëàñòè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â âèäå ñâåòëûõ îòðàæàòåëüíûõ òóìàííîñòåé è ãîðÿ÷èõ ýìèññèîííûõ òóìàííîñòåé (HII) ñ âíåäðåííûìè â íèõ ìîëîäûìè ÿðêèìè çâåçäàìè. Çíàêîìûé ïðèìåð — Òóìàííîñòü Îðèîíà, ëåæàùàÿ íà îáðàùåííîé ê íàì ñòîðîíå îãðîìíîãî ìîëåêóëÿðíîãî îáëàêà, çàíèìàþùåãî íåìàëóþ ÷àñòü ñîçâåçäèÿ Îðèîí. Ýòè çâåçäû ñëóæàò íåïëîõèìè èíäèêàòîðàìè ðàññòîÿíèÿ. À ëó÷åâàÿ ñêîðîñòü òàêîãî çâåçäíî-ãàçîâîãî êîìïëåêñà òî÷íî èçìåðÿåòñÿ ïî äîïëåðîâñêîìó ñìåùåíèþ ëèíèè íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà (21 ñì) è ìîëåêóëÿðíûõ ëèíèé (íàïðèìåð, ëèíèè 2,6 ìì ìîëåêóëû CO). Âçÿâ îáùåïðèíÿòûå çíà÷åíèÿ êîíñòàíò: R0 = 8,5 êïê è Q0 = 220 êì/ñ, Áðàíä è Áëèòö ïîëó÷èëè êðèâóþ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè (ðèñ. 6.10) è â äèàïàçîíå ðàññòîÿíèé 0,2 < (R/R0) < 2 àïïðîêñèìèðîâàëè åå ïðîñòîé ôîðìóëîé: æ R Q = 1,00767 çç Q0 è R0
ö ÷÷ ø
0 , 0394
+ 0,00712.
Êàê âèäèì, êðóãîâàÿ ñêîðîñòü íåìíîãî âîçðàñòàåò ê êðàþ ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà. Óãëîâàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ, åñòåñòâåííî, ìîíîòîííî
191
6.3. Êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè
óìåíüøàåòñÿ ñ ðàññòîÿíèåì (ðèñ. 6.10). Äëÿ íåå àïïðîêñèìàöèÿ âûòåêàåò èç ïðåäûäóùåé ôîðìóëû: æR ö w = 1,00767 ç 0 ÷ w0 èR ø
0 , 961
+ 0,00712
R0 R
.
Îáðàòèòå âíèìàíèå: íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ îò öåíòðà (R > 10 êïê) áûñòðî ðàñòóò îøèáêè îïðåäåëåíèÿ êàê ðàññòîÿíèÿ, òàê è ëèíåéíîé ñêîðîñòè îáúåêòîâ.  òî æå âðåìÿ îøèáêè îïðåäåëåíèÿ óãëîâîé ñêîðîñòè íà âñåõ ðàññòîÿíèÿõ îñòàþòñÿ î÷åíü ìàëåíüêèìè. Ïðåäëàãàþ ÷èòàòåëþ ñàìîñòîÿòåëüíî äîêàçàòü, ÷òî íåîïðåäåëåííîñòü çíà÷åíèÿ w çàâèñèò òîëüêî îò òî÷íîñòè èçìåðåíèÿ ëó÷åâîé ñêîðîñòè îáúåêòà è íå çàâèñèò îò îøèáêè â îïðåäåëåíèè ðàññòîÿíèÿ. Îñíîâûâàÿñü íà ïîëó÷åííîé èìè ñêîðîñòè âðàùåíèÿ äèñêà, Áðàíä è Áëèòö âû÷èñëèëè ïîëíóþ ìàññó Ãàëàêòèêè â ïðåäåëàõ R = 17 êïê: îíà ïîëó÷èëàñü ðàâíîé 4,1 · 1011 MA. Ðàñïðåäåëåíèå â ïðîñòðàíñòâå ãàçîâûõ îáëàêîâ è ìîëîäûõ çâåçä ïîçâîëèëî îïðåäåëèòü öåíòðàëüíóþ ïëîñêîñòü ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà â îêîëîñîëíå÷íîé îáëàñòè ðàäèóñîì îêîëî 2 êïê: îêàçàëîñü, ÷òî Ñîëíöå îòíîñèòåëüíî ýòîé ïëîñêîñòè ñìåùåíî ê ñåâåðó íà 13 ± 7 ïê. Ëþáîïûòíî, ÷òî ïðèçíàêîâ ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû â ðàñïðåäåëåíèè ìîëîäûõ çâåçä ïî äèñêó Ãàëàêòèêè Áðàíä è Áëèòö íå íàøëè. Òîò ôàêò, ÷òî êðèâóþ âðàùåíèÿ Áðàíäà è Áëèòöà íàçûâàþò ñòàíäàðòíîé, âîâñå íå îçíà÷àåò, ÷òî íåò àëüòåðíàòèâíûõ âàðèàíòîâ èëè ÷òî ïîèñêè â ýòîì íàïðàâëåíèè çàêîí÷èëèñü. ßïîíñêèå àñòðîíîìû Ìàðåêè Õîíìà è ¨øèàêè Ñîôóå íà îñíîâå îáçîðîâ HI ïîëó÷èëè çàìåòíî èíóþ êðèâóþ âðàùåíèÿ (ðèñ. 6.11), êîòîðóþ îíè ïðåäñòàâèëè â òðeõ âàðèàíòàõ: äëÿ Q0 = 220, 200 è 180 êì/ñ. Êàê âèäèì, ïðè Q0 < 200 êì/ñ çà ïðåäåëîì R = 2R0 êðèâàÿ èäåò âíèç. Àâòîðû ýòîé ðàáîòû çàêëþ÷èëè, ÷òî íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ êðèâàÿ ñòàíîâèòñÿ ïî÷òè êåïëåðîâîé, ñëåäîâàòåëüíî, ïëîòíîñòü ìàññû òàì óæå íè÷òîæíî ìàëà. Îáñóäèâ ðàçëè÷íûå ìåòîäû îïðåäåëåíèÿ ïàðàìåòðîâ Ãàëàêòèêè, Õîíìà è Ñîôóå ïðèøëè ê âûâîäó, ÷òî R0 = 7,6 êïê, Q0 = 200 êì/ñ, ðàäèóñ Ãàëàêòèêè RG = 15 êïê, à åå ïîëíàÿ ìàññà MG = (2,0 ± 0,3) · 1011 MA. Ïðè ýòîì àâòîðû ñ÷èòàþò, ÷òî ìàññèâíîãî òåìíîãî ãàëî ïðîòÿæåííîñòüþ äåñÿòêè êèëîïàðñåêîâ ó Ãàëàêòèêè âîîáùå íåò. Âåñüìà ðåâîëþöèîííûé âûâîä, íà êîòîðûé àñòðîíîìè÷åñêàÿ îáùåñòâåííîñòü ïðîðåàãèðîâàëà íå î÷åíü àêòèâíî. Êðèâûå âðàùåíèÿ ñòðîÿò è ïî çâåçäàì áîëåå ïîçäíèì, ÷åì çâåçäû ñïåêòðàëüíîãî êëàññà Î è Â, íàïðèìåð ïî êëàññè÷åñêèì öåôåèäàì, öåíòðàëüíûì çâåçäàì ïëàíåòàðíûõ òóìàííîñòåé, óãëåðîäíûì çâåç-
192
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
Ðèñ. 6.10. Ââåðõó: ñêîðîñòè êðóãîâîãî äâèæåíèÿ îòäåëüíûõ îáëàêîâ (òî÷êè ñ «óñàìè» îøèáîê) è âûâåäåííàÿ íà èõ îñíîâå êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè (ïî÷òè ãîðèçîíòàëüíàÿ ëèíèÿ íà óðîâíå Q = 220 êì/ñ); âíèçó: óãëîâàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ äèñêà Ãàëàêòèêè (Áðàíä, Áëèòö, 1993).
6.3. Êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè
193
Ðèñ. 6.11. Êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè, ïîëó÷åííàÿ Honma è Sofue (1997) ïî îáçîðàì â ëèíèè 21 ñì äëÿ òðåõ ðàçíûõ çíà÷åíèé Q0. «Óñû» îøèáîê íàíåñåíû òîëüêî íà âåðõíåé êðèâîé; ó äâóõ äðóãèõ êðèâûõ îíè ïî÷òè òàêèå æå.
äàì, êðàñíûì ñâåðõãèãàíòàì òèïà OH/IR.  äåòàëÿõ ýòè êðèâûå âðàùåíèÿ îòëè÷àþòñÿ îò êðèâîé âðàùåíèÿ ïî ãàçó. Èç-çà áîëüøåé äèñïåðñèè ñêîðîñòåé çâåçä ýòè êðèâûå âðàùåíèÿ ïî÷òè íå èìåþò òàêîé æå ÷åòêî âûðàæåííîé òîíêîé ñòðóêòóðû, ñâÿçàííîé ñ ïðîõîæäåíèåì ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ, êàêóþ èìååò âðàùåíèå ãàçîâîãî äèñêà. Íî îñíîâíîé õîä âñåõ êðèâûõ ñõîäåí. Êàê óæå áûëî ñêàçàíî, ñðàâíèòåëüíî íåäàâíî íà÷àëîñü èñïîëüçîâàíèå íîâîãî ìåòîäà îïðåäåëåíèÿ ðàññòîÿíèé ñ ïîìîùüþ òðèãîíîìåòðè÷åñêèõ ïàðàëëàêñîâ ìàçåðíûõ èñòî÷íèêîâ. Ýòî ïðîèçâåëî ïåðåâîðîò â ïîñòðîåíèè êðèâîé âðàùåíèÿ, îñîáåííî äëÿ äàëåêèõ îáëàñòåé, ðàñïîëîæåííûõ âî âíåøíåé ÷àñòè Ãàëàêòèêå. Ïðàâäà, ïîêà èç-çà íåìíîãî÷èñëåííîñòè èçìåðåííûõ ýòèì ìåòîäîì èñòî÷íèêîâ òðóäíî ãîâîðèòü î ïîëíîé êðèâîé. Íî óæå ïåðâûå ïîëó÷åííûå äàííûå ïîêàçàëè, ÷òî êðèâàÿ âðàùåíèÿ âî âíåøíåé Ãàëàêòèêå ïî÷òè ïëîñêàÿ. Ïîýòîìó ñåãîäíÿ â ñóùåñòâîâàíèè òåìíîãî ãàëî ó Ãàëàêòèêè àáñîëþòíîå áîëüøèíñòâî èññëåäîâàòåëåé óæå íå ñîìíåâàåòñÿ. Îäíàêî åãî òî÷íûå ìàññà è ðàçìåð ïîêà íå óñòàíîâëåíû, à ðàñïðåäåëåíèå âåùåñòâà â äèñêå Ãàëàêòèêè è åãî ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàõîäÿòñÿ â ñòàäèè àêòèâíîãî èçó÷åíèÿ.
194
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
6.4. Ñïèðàëüíûå âåòâè Ãàëàêòèêè Êàê ìû âèäåëè (ðèñ. 6.3), äîñòàòî÷íî íàäåæíûé ôîòîìåòðè÷åñêèé ìåòîä èçìåðåíèÿ ðàññòîÿíèé äî ÿðêèõ çâåçä è ñêîïëåíèé íå óäàåòñÿ ðàñïðîñòðàíèòü íà çíà÷èòåëüíóþ ÷àñòü Ãàëàêòèêè èç-çà ìåæçâåçäíîãî ïîãëîùåíèÿ ñâåòà. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, êèíåìàòè÷åñêèé ìåòîä, îñíîâàííûé íà äîïëåðîâñêîì ñìåùåíèè ëèíèè 21 ñì, äëÿ êîòîðîé Ãàëàêòèêà ïðîçðà÷íà, íå äàåò îäíîçíà÷íûõ ðàññòîÿíèé âíóòðè ñîëíå÷íîãî êðóãà. Ïðàâäà, â êîíöå 1950-õ ãã. áûëè ïîïûòêè ïîëó÷èòü ïîðòðåò ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà òîëüêî íà îñíîâàíèè îáçîðîâ â ëèíèè 21 ñì. Ïðè ýòîì îòäåëüíûå ó÷àñòêè ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ íàìåòèëèñü, íî ÷åòêèé ãëîáàëüíûé ñïèðàëüíûé óçîð Ãàëàêòèêè — òàê íàçûâàåìûé ãðàíä-äèçàéí (Grand design) — âûÿâèòü íå óäàëîñü (ðèñ. 6.12). Îñòàëîñü äàæå íåÿñíûì, çàêðó÷èâàþòñÿ èëè ðàñêðó÷èâàþòñÿ ðóêàâà Ãàëàêòèêè, ò. å. âðàùàåòñÿ Ãàëàêòèêà â íàïðàâëåíèè îò êîíöîâ ðóêàâîâ ê ÿäðó èëè íàîáîðîò. Îòìåòèì, ÷òî íà ðèñ. 6.12 è âñåõ ïîñëåäóþùèõ, äåìîíñòðèðóþùèõ Ãàëàêòèêó â ïëàíå, ìû íàáëþäàåì åå ñî ñòîðîíû ñåâåðíîãî ãàëàêòè÷åñêîãî ïîëþñà, à âðàùåíèå äèñêà ïðîèñõîäèò ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå.  ïåðâîé ïîëîâèíå 1970-õ ãã. ñóïðóãè Æîðæåëåí èç îáñåðâàòîðèè Âåðõíåãî Ïðîâàíñà è Ìàðñåëüñêîé îáñåðâàòîðèè ïðèìåíèëè êîìáèíèðîâàííûé ìåòîä îïðåäåëåíèÿ ðàññòîÿíèé äî ÿðêèõ ýìèññèîííûõ òóìàííîñòåé, ñâÿçàííûõ ñ êðóïíûìè îáëàñòÿìè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â îñíîâíîì âî âíóòðåííåé ÷àñòè Ãàëàêòèêè (Georgelin & Georgelin, 1976). Îíè èñïîëüçîâàëè êàê îïòè÷åñêèå, òàê è ðàäèî-èíäèêàòîðû ðàññòîÿíèé: ÿðêèå çâåçäû, âîçáóæäàþùèå ñâå÷åíèå ãàçà â îáëàñòÿõ HII; ñêîðîñòè ñàìîãî ãàçà, èçìåðåííûå ïî ëèíèè Ha; ñêîðîñòè ãàçà, èçìåðåííûå ïî ðàäèîðåêîìáèíàöèîííîé ëèíèè H 109a.  ðåçóëüòàòå îíè ïîñòðîèëè ïåðâóþ ãëîáàëüíóþ êàðòó ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ â îáëàñòè R l 4 êïê (ðèñ. 6.13). Íà ïåðâûé âçãëÿä íà íåé òðóäíî çàìåòèòü êàêîé-ëèáî «grand design», îñîáåííî â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà. Íî àñòðîíîìû Æîðæåëåí äîâîëüíî óâåðåííî ïðîñëåæèâàþò íà ñâîåé êàðòå ñïèðàëüíûå ðóêàâà Êèëü—Ñòðåëåö (1), Êðåñò—Ùèò (2), Íàóãîëüíèê (1¢) è Ïåðñåé (2¢). Ñîëíöå ðàñïîëîæåíî ìåæäó ðóêàâàìè Ïåðñåÿ è Êèëÿ—Ñòðåëüöà.  öåëîì, ñ÷èòàþò àâòîðû, ýòè äâå ïàðû ñèììåòðè÷íûõ ðóêàâîâ ìîæíî ïðåäñòàâèòü ìîäåëüþ ÷åòûðåõðóêàâíîé ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû ñ óãëîì íàêëîíà 12°. Êàê è ó ïîäàâëÿþùåãî áîëüøèíñòâà äðóãèõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê, â ýòîé ìîäåëè ðóêàâà çàêðó÷èâàþòñÿ. Ðàáîòà Æîðæåëåíîâ îêàçàëàñü î÷åíü ïîïóëÿðíà. Èõ ìîäåëü ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû äî ñèõ ïîð ÷àñòî èñïîëüçóåòñÿ â êà÷åñòâå îñíîâû
6.4. Ñïèðàëüíûå âåòâè Ãàëàêòèêè
195
Ðèñ. 6.12. Êàðòà ðàñïðåäåëåíèÿ ïëîòíîñòè íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà ïî íàáëþäåíèÿì â ëèíèè 21 ñì, ïîñòðîåííàÿ Îîðòîì, Êåððîì è Âåñòåðõàóòîì (Oort et al., 1958) íà îñíîâå ìîäåëè Øìèäòà 1956 ã. (ñì. ðèñ. 6.7).  íàïðàâëåíèè íà öåíòð è àíòèöåíòð Ãàëàêòèêè êèíåìàòè÷åñêèé ìåòîä íå ðàáîòàåò.
äëÿ áîëåå äåòàëüíûõ ðàáîò. Åå ñðàâíèâàþò ñ äðóãèìè ìîäåëÿìè, îñíîâàííûìè íà èíûõ èíäèêàòîðàõ ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ, è îáû÷íî íàõîäÿò õîðîøåå ñîîòâåòñòâèå. Òàê, ìîäåëü Æîðæåëåíîâ îêàçàëàñü ïî÷òè ïðèãîäíà äëÿ îïèñàíèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ìîëåêóëÿðíîãî ãàçà (Nakanishi, Sofue, 2006), õîòÿ ïðè åå ñîçäàíèè äàííûõ îá ýòîì ãàçå åùå íå áûëî. È äàæå ñàìûå ïîñëåäíèå ìîäåëè, îñíîâàííûå íà ðàñïðåäåëåíèè ìîëåêóëÿðíîãî, àòîìàðíîãî è èîíèçîâàííîãî âîäîðîäà, òîæå äàþò ÷åòûðåõðóêàâíóþ ñïèðàëü ñ óãëîì íàêëîíà îêîëî 12° (Efremov, 2011). Âû óæå çàìåòèëè íà ðèñ. 6.13 ïÿòü ñåðûõ ïîëîñîê, êàñàòåëüíûõ ê ñïèðàëüíîìó óçîðó è íàçâàííûõ «òàíãåíöèàëüíûìè íàïðàâëåíèÿìè». Íåîáõîäèìî ïîÿñíèòü èõ ñìûñë. Òðóäíîñòè îïðåäåëåíèÿ ðàññòîÿíèé äî îáúåêòîâ â ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè è íèçêàÿ òî÷íîñòü ýòèõ ðàñ-
196
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
Ðèñ. 6.13. Ðàñïðåäåëåíèå îáëàñòåé HII â äèñêå Ãàëàêòèêè ïî äàííûì Æîðæåëåíîâ (1976). Ïàðàìåòð âîçáóæäåíèÿ (U) ïðîïîðöèîíàëåí ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ îáëàñòè HII. Ïðèíÿòî R0 = 10 êïê. Ñåðûå ïîëîñêè — òàíãåíöèàëüíûå íàïðàâëåíèÿ. Êðèâûìè ïîêàçàíà ÷åòûðåõðóêàâíàÿ ìîäåëü ñïèðàëüíîé ñòðóê-
ñòîÿíèé âûíóäèëè àñòðîíîìîâ èñêàòü èíûå ìàðêåðû ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû. Î÷åâèäíàÿ èäåÿ ñîñòîèò â òîì, ÷òî åñëè ñïèðàëüíûå ðóêàâà íàñåëåíû îáúåêòàìè îïðåäåëåííîãî òèïà, òî, ðàññìàòðèâàÿ ãàëàêòè÷åñêèé äèñê â ïðîåêöèè íà ðàçíûõ äîëãîòàõ, ìû óâèäèì ïîâûøåííóþ ïëîòíîñòü ýòèõ îáúåêòîâ â òåõ íàïðàâëåíèÿõ, ãäå ëó÷ çðåíèÿ ñêîëüçèò âäîëü ðóêàâà. Ýòè íàïðàâëåíèÿ è íàçûâàþò «òàíãåíöèàëüíûìè», ò. å. êàñàòåëüíûìè ê ñïèðàëüíûì ðóêàâàì. Ðàçóìååòñÿ, ïîäîáíàÿ èäåÿ ìîæåò ðåàëèçîâàòüñÿ ëèøü â òîì ñëó÷àå, åñëè ðàññìàòðèâàòü Ìëå÷íûé Ïóòü íà òåõ äëèíàõ âîëí, äëÿ êîòîðûõ îí ïðîçðà÷åí èëè õîòÿ áû ïîëóïðîçðà÷åí. Ýòî ïðåæäå âñåãî ðàäèî- è èíôðàêðàñíûå ëó÷è, à êðîìå òîãî, æåñòêèå ðåíòãåíîâñêèå è ãàììà-ëó÷è. Ïîñêîëüêó Ñîëíöå íàõîäèòñÿ íà ïåðèôåðèè ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà, èçëó÷åíèå Ìëå÷íîãî Ïóòè èìååò øèðîêèé ìàêñèìóì â íàïðàâëå-
197
6.4. Ñïèðàëüíûå âåòâè Ãàëàêòèêè
Òàáëèöà 6.1 Òàíãåíöèàëüíûå íàïðàâëåíèÿ íà ñïèðàëüíûå ðóêàâà Ãàëàêòèêè Ãàëàêòè÷åñêàÿ äîëãîòà, ° Èñòî÷íèê
T1
ÈÊ, 2,4 ìêì
29
ÈÊ, 60 ìêì
26
Ðàäèî, 5 ÃÃö Ðàäèî, 408 ÌÃö
T2
T3
285 47
T4
Àâòîð, ãîä
T5
T6
332
339 Hayakawa et al., 1981
313
329
340 Bloemen et al., 1990
305
332
48
Âîäîðîä HI
29
50
Îáëàêà CO
25, 32
51
32
46
310
325
Chen et al.,1996
24, 30
47
305
332
Downes et al.,1980
26
Al
Îáëàñòè HII
310, 302 328
Lockman, 1979
32
284
310
328
339 Beuermann et al., 1985 Henderson,1977 Dame et al.,1986
íèè öåíòðà Ãàëàêòèêè, çàíèìàþùèé ïðèìåðíî òðåòü áîëüøîãî êðóãà íà íåáå. Êàê è îæèäàëîñü, ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ïî äîëãîòàì íå ãëàäêîå, à äåìîíñòðèðóåò ïèêè, èëè, êàê ãîâîðÿò, ëåñòíè÷íóþ ñòðóêòóðó, êîòîðàÿ â öåëîì ïîâòîðÿåòñÿ ïðè íàáëþäåíèè â ðàçíûõ ó÷àñòêàõ ñïåêòðà èëè æå íà ãèñòîãðàììàõ ðàñïðåäåëåíèé ìîëîäûõ îáúåêòîâ, õàðàêòåðíûõ äëÿ îáëàñòåé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Èìåííî ýòè ïèêè è ñâÿçûâàþò ñ òåìè íàïðàâëåíèÿìè, ãäå ëó÷ çðåíèÿ ïðîõîäèò âäîëü êîëüöåâèäíûõ èëè ñïèðàëåâèäíûõ óïëîòíåíèé — ðóêàâîâ.  òàáë. 6.1 ïðèâåäåíû ãàëàêòè÷åñêèå äîëãîòû íàáëþäàåìûõ òàíãåíöèàëüíûõ íàïðàâëåíèé: T1, T2, T3, T4, T5 è T6, ñîîòâåòñòâóþùèõ ïèêàì ðàñïðåäåëåíèÿ îáëàñòåé HII, ÿðêîñòè èíôðàêðàñíîãî èçëó÷åíèÿ íà äëèíàõ âîëí 2,4 è 60 ìèêðîí, ðàäèîèçëó÷åíèÿ íà ÷àñòîòàõ 5 ÃÃö è 408 ÌÃö, èçëó÷åíèÿ íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà íà âîëíå 21 ñì, ìîëåêóëû CO, à òàêæå èçëó÷åíèÿ ðàäèîàêòèâíîãî àëþìèíèÿ (26Al), îáðàçóþùåãîñÿ ïðè âçðûâàõ ìàññèâíûõ çâåçä, êîòîðûå â ñèëó êðàòêîñòè ñâîåé æèçíè âçðûâàþòñÿ íåäàëåêî îò òåõ ìåñò, ãäå ðîäèëèñü. Âñå ýòè ðàçëè÷íûå òèïû èçëó÷åíèé õàðàêòåðíû äëÿ îáëàñòåé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, êîòîðûå, êàê ìû âèäèì ïðè íàáëþäåíèè äðóãèõ ãàëàêòèê, êîíöåíòðèðóþòñÿ â ñïèðàëüíûõ ðóêàâàõ. È âñå ýòè ìàðêåðû â íàøåé ãàëàêòèêå, êàê âèäèì, ëåæàò ïðàêòè÷åñêè íà îäíèõ è òåõ æå äîëãîòàõ. Î÷åâèäíî, ýòî è åñòü òàíãåíöèàëüíûå íàïðàâëåíèÿ. Ïîñêîëüêó òàíãåíöèàëüíûå íàïðàâëåíèÿ íå ñèììåòðè÷íû îòíîñèòåëüíî íàïðàâëåíèÿ íà öåíòð Ãàëàêòèêè, ïîíÿòíî, ÷òî ìû èìååì äåëî íå ñ êîëüöåâûì, à ñî ñïèðàëüíûì óçîðîì. ×òîáû âûÿâèòü åãî ðèñóíîê, îáû÷íî ïîñòóïàþò òàê: â ðàìêàõ ïðîñòîé ìîäåëè, íàïðèìåð ëî-
198
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
ãàðèôìè÷åñêîé ñïèðàëè, âàðüèðóþò ÷èñëî ðóêàâîâ è óãîë èõ íàêëîíà òàê, ÷òîáû äîáèòüñÿ íàèëó÷øåãî ñîâïàäåíèÿ ñ íàáëþäàåìûìè òàíãåíöèàëüíûìè íàïðàâëåíèÿìè. Ê ñîæàëåíèþ, îäíîçíà÷íîé êàðòèíû ýòîò ìåòîä íå ãàðàíòèðóåò. Òàê, äëÿ èíôðàêðàñíûõ èñòî÷íèêîâ íà âîëíå 2,4 ìêì è ñèíõðîòðîííîãî èçëó÷åíèÿ íà âîëíå 408 ÌÃö ýòîò ìåòîä äàåò õîðîøóþ äâóõñïèðàëüíóþ ñòðóêòóðó. Íî ïðîôèëè èçëó÷åíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùåãî ìîëîäûì îáúåêòàì, äàþò 3- èëè 4-ñïèðàëüíóþ ñòðóêòóðó.  2000 ã. ïî äàííûì èíôðàêðàñíîãî îáçîðà Ìëå÷íîãî Ïóòè, ïðîâåäåííîãî ñ áîðòà ñïóòíèêà COBE (NASA) ñ ïîìîùüþ ðàäèîìåòðà DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment), áûëè ïîëó÷åíû ýìèññèîííûå ïðîôèëè ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè â ñïåêòðàëüíîé ïîëîñå K (2 ìêì) è â ïîëîñå 240 ìêì. Ïðîôèëü èçëó÷åíèÿ â ïîëîñå K ÿñíî ïîêàçàë äâà øèðîêèõ ïèêà íà îòðèöàòåëüíûõ äîëãîòàõ, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò äâóõðóêàâíîé ìîäåëè, à ïðîôèëü â ïîëîñå 240 ìêì çíà÷èòåëüíî ëó÷øå ñîãëàñîâàëñÿ ñ ÷åòûðåõðóêàâíîé ìîäåëüþ. Èçâåñòíî, ÷òî èçëó÷åíèå â îáëàñòè 2 ìêì ïðèíàäëåæèò â îñíîâíîì ñòàðûì çâåçäàì ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ K è M, à â îáëàñòè 240 ìêì — ãàçîâûì îáëàêàì. Ïîýòîìó àâòîðû èññëåäîâàíèÿ çàêëþ÷èëè, ÷òî ñòàðîå íàñåëåíèå äèñêà äåìîíñòðèðóåò äâóõðóêàâíóþ ñïèðàëü, à ìîëîäîå çâåçäíîå íàñåëåíèå è ãàç — ÷åòûðåõðóêàâíóþ. Âåñüìà íåîæèäàííûé âûâîä! Íî, ðàçóìååòñÿ, íå îêîí÷àòåëüíûé. Ðàáîòà ïî èçó÷åíèþ ñïèðàëüíîãî óçîðà Ãàëàêòèêè ïðîäîëæàåòñÿ íåïðåðûâíî.  ïåðâûå ãîäû XXI â. ñòàë áûñòðî âîçðàñòàòü îáúåì äàííûõ î ëó÷åâûõ ñêîðîñòÿõ è ðàññòîÿíèÿõ îáëàñòåé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Êðîìå òîãî, áûëè ñäåëàíû ïîäðîáíûå îáçîðû, ôàêòè÷åñêè êàðòîãðàôèðîâàíèå ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ â ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè.  ðåçóëüòàòå Ä. Ðóññåëü ñ êîëëåãàìè ïîëó÷èëè îáíîâëåííóþ êàðòèíó ñïèðàëüíîãî óçîðà, îïèðàÿñü, ñ îäíîé ñòîðîíû, íà ôîòîìåòðè÷åñêèå ðàññòîÿíèÿ äî îáëàñòåé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, à ñ äðóãîé — íà êèíåìàòè÷åñêèå ðàññòîÿíèÿ áîëåå äàëåêèõ îáëàñòåé (ðèñ. 6.14). Íåìíîãî ïîçæå Õîó ñ êîëëåãàìè ïîñòðîèëè ñïèðàëüíûé óçîð íà îñíîâå âñåõ èçâåñòíûõ äàííûõ îá îñíîâíîì íàñåëåíèè ðóêàâîâ — êðóïíûõ îáëàñòÿõ HII è ãèãàíòñêèõ ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêàõ (ðèñ. 6.15). Îíè ïîïðîáîâàëè àïïðîêñèìèðîâàòü åãî 2-, 3- è 4-ðóêàâíûìè ñïèðàëÿìè, íî îñòàíîâèëîñü íà âàðèàíòå ïîëèíîìèàëüíîé (êóñî÷íîé) ëîãàðèôìè÷åñêîé ñïèðàëè, îòäåëüíûå îòðåçêè êîòîðîé íå ñâÿçàíû äðóã ñ äðóãîì. Èç îáùåé êàðòèíû âûïàë ëèøü îäèí êðóïíûé êîìïëåêñ îáëàêîâ ñ êîîðäèíàòàìè (x, y) = (12 êïê, 4 êïê). Âîçìîæíî, îí ïðèíàäëåæèò èíîìó ðóêàâó, à ìîæåò áûòü, ïðîñòî ïåðåîöåíåíî ðàññòîÿíèå äî íåãî.
6.4. Ñïèðàëüíûå âåòâè Ãàëàêòèêè
199
Ðèñ. 6.14. ×åòûðåõðóêàâíàÿ ñïèðàëü, ïîñòðîåííàÿ íà îñíîâå ðàñïðåäåëåíèÿ îáëàñòåé HII (Russeil et al., 2007). Ðàçìåð ñèìâîëîâ ïðîïîðöèîíàëåí ïàðàìåòðó âîçáóæäåíèÿ. Ðóêàâà: 1 — Sagittarius—Carina, 2 — Scutum—Crux, 1¢ — Norma—Cygnus, 2¢ — Perseus. Øòðèõ-ïóíêòèðîì ïîêàçàíà áîëüøàÿ îñü áàðà.
Êàê âèäèì, ðàáîòû â ýòîé îáëàñòè åùå ìíîãî: êàðòèíà ñïèðàëüíîãî óçîðà Ãàëàêòèêè ïîêà íå ïðîÿñíèëàñü. Âçÿòü, ê ïðèìåðó, ïóáëèêàöèè ïîñëåäíèõ ëåò. Ó àâòîðîâ, âûäåëÿâøèõ ðóêàâà Ãàëàêòèêè ïî ðàñïðåäåëåíèþ ãàçà è îáëàñòåé HII, óãîë íàêëîíà ñïèðàëåé ïîëó÷àåòñÿ îêîëî 12°, à ó òåõ èññëåäîâàòåëåé, êòî â êà÷åñòâå èíäèêàòîðîâ ñïèðàëåé èñïîëüçîâàë ïîëîæåíèÿ ðàññåÿííûõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé è öåôåèä, — îêîëî 21°. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, àíàëèç äâèæåíèÿ òåõ æå ðàññåÿííûõ ñêîïëåíèé è öåôåèä óêàçûâàåò íà óãîë îêîëî 5°. Ïðè ýòîì êàæäîìó èç ðåçóëüòàòîâ ïðèïèñûâàåòñÿ îøèáêà íå áîëåå 1°. Íåò åäèíñòâà è â îïðåäåëåíèè óãëîâîé ñêîðîñòè âðàùåíèÿ ñïèðàëüíîãî óçîðà (Wp): ó ðàçíûõ àâòîðîâ îíà ïîëó÷àåòñÿ îò 11 äî 35 êì/(ñ · êïê).  ïîñëåäíèå ãîäû òåîðåòèêè è íàáëþäàòåëè ïîñòåïåí-
200
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
Ðèñ. 6.15. Ôðàãìåíòû ñïèðàëüíîãî óçîðà, íàéäåííûå ïî ðàñïðåäåëåíèþ îáëàñòåé HII è ãèãàíòñêèõ ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ (GMCs) c ìàññàìè 105–106 MA. (Hou è äð., 2009). Íà ðèñóíêå õîðîøî âèäíû êîðèäîðû ïðîçðà÷íîñòè, ïðîòÿíóâøèåñÿ îò Ñîëíöà è ãóñòî íàïîëíåííûå îáúåêòàìè.
íî îñîçíàþò, ÷òî íîâûå áîëåå òî÷íûå è îáøèðíûå äàííûå ïðèõîäÿò âî âñå áîëüøåå ïðîòèâîðå÷èå ñ òåìè ïðîñòûìè ìîäåëÿìè Ãàëàêòèêè, â ðàìêàõ êîòîðûõ îíè èíòåðïðåòèðîâàëèñü ëåò 30–40 íàçàä.  äåéñòâèòåëüíîñòè ãàëàêòè÷åñêèé äèñê íå ïëîñêèé, à äâèæåíèå âåùåñòâà â íåì íå ÷èñòî êðóãîâîå (Nakanishi, Sofue, 2006). Áîëåå òîãî: êàðòèíà ñïèðàëüíîãî óçîðà íå ñòàöèîíàðíà: ñïèðàëüíûå ðóêàâà è öåíòðàëüíûé áàð ìîãóò âîçíèêàòü è èñ÷åçàòü, äåìîíñòðèðóÿ ñèëüíûå íåêðóãîâûå äâèæåíèÿ è ñëîæíûå ïåðåõîäíûå ôîðìû óçîðà (Baba et al., 2009). Ïîó÷èòåëüíûé ÷èñëåííûé ýêñïåðèìåíò ïðîäåëàëà ãðóïïà ÿïîíñêèõ òåîðåòèêîâ (Baba et al., 2009). Îíè ñîçäàëè èçîùðåííóþ êîìïüþòåðíóþ ìîäåëü ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà, ó÷èòûâàþùóþ âçàèìîäåéñòâèå çâåçä äðóã ñ äðóãîì è ñ ãàçîì, âëèÿíèå ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ ãàëî, íàãðåâ ãàçà çâåçäàìè è åãî îõëàæäåíèå, ðîæäåíèå çâåçä èç ãàçà ñ ðåàëèñòè÷åñêîé ôóíêöèåé ìàññ… Îäíèì ñëîâîì, îíè ñîçäàëè âûñîêîòî÷-
6.4. Ñïèðàëüíûå âåòâè Ãàëàêòèêè
201
Ðèñ. 6.16. ×èñëåííàÿ ìîäåëü ãàëàêòèêè Baba è äð. (2009) ïðè åe óñëîâíîì âîçðàñòå 2 ìëðä ëåò. SUN — ïîëîæåíèå Ñîëíöà; R0 = 8 êïê; Q0 = 162 êì/ñ. Áîëüøàÿ îñü áàðà îðèåíòèðîâàíà ïîä óãëîì 25° ê íàïðàâëåíèþ íà Ñîëíöå. Ñëåâà: èñòèííîå ðàñïðåäåëåíèå õîëîäíîãî (T ~ 100 K) ãàçà â äèñêå. Ñïðàâà: òàêîé ðåçóëüòàò äëÿ ðàñïðåäåëåíèÿ õîëîäíîãî ãàçà ïîëó÷èò íàáëþäàòåëü, ïðèìåíèâ êèíåìàòè÷åñêèé ìåòîä îöåíêè ðàññòîÿíèé è ïðåäïîëàãàÿ, ÷òî ãàç îáðàùàåòñÿ âîêðóã öåíòðà ãàëàêòèêè ïî êðóãîâûì îðáèòàì.
íóþ ìîäåëü ãàëàêòèêè, î÷åíü ïîõîæóþ íà íàøó ðîäíóþ, è çàïóñòèëè åå, ÷òîáû ïîñìîòðåòü, ÷òî áóäåò. Èõ öåëüþ áûëî ïðîâåðèòü, ïî÷åìó íàáëþäàåìûå ñêîðîñòè îáëàñòåé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, òî÷íî èçìåðåííûå ïî äâèæåíèþ ïðèñóòñòâóþùèõ â íèõ ìàçåðíûõ èñòî÷íèêîâ, ñèëüíî, ïîðîé íà 30 êì/ñ, îòêëîíÿþòñÿ îò ïðîãíîçà êëàññè÷åñêîé òåîðèè ñòàöèîíàðíûõ ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ. Ïî ìåðå ýâîëþöèè êîìïüþòåðíîé ãàëàêòèêè â åå äèñêå ïîÿâèëñÿ öåíòðàëüíûé áàð è ñïèðàëüíûé óçîð, íî íå ãëîáàëüíûé, à ôëîêêóëåíòíûé, ôðàãìåíòàðíûé (ðèñ. 6.16, ñëåâà). Âîçìîæíî, îí è â ñàìîì äåëå ïîõîæ íà ñïèðàëüíûé óçîð íàøåé Ãàëàêòèêè, íî âîò âîïðîñ: ìîæåì ëè ìû åãî îáíàðóæèòü? ßïîíñêèå àâòîðû ñìîäåëèðîâàëè ïðîöåññ èçó÷åíèÿ ìîäåëüíîãî äèñêà ãàëàêòèêè íàáëþäàòåëåì, íàõîäÿùèìñÿ â Ñîëíå÷íîé ñèñòåìå, êàê åñëè áû îí ñäåëàë îáçîð ñâîåãî «Ìëå÷íîãî Ïóòè» â ëèíèè èçëó÷åíèÿ CO, îïðåäåëèë ëó÷åâûå ñêîðîñòè ãàçîâûõ îáëàêîâ è, ïðèìåíèâ êèíåìàòè÷åñêèé ìåòîä, âû÷èñëèë èõ ðàññòîÿíèÿ. Êàðòèíà, êîòîðóþ îí ïðè ýòîì ïîëó÷èë áû (ðèñ. 6.16, ñïðàâà), ðàçèòåëüíî îòëè÷àåòñÿ îò ðåàëüíîé. Äåëî â òîì, ÷òî òðàäèöèîííûé êèíåìàòè÷åñêèé ìåòîä, îñíîâàííûé íà ïðåäïîëîæåíèè î ñòðîãî êðóãîâûõ äâèæåíèÿõ â äèñêå, äàåò äëÿ ðàññòîÿíèé îáúåêòîâ îò Ñîëíöà îøèáêó â 2–3 êïê. Èç-çà ýòîãî êàðòèíà ïîëó÷àåòñÿ «ãåëèîöåíòðè÷åñêàÿ» — îøèáêè ðàññòîÿíèé «ðàñêà÷èâàþò» ïîëîæåíèå îáëàêîâ âäîëü íàïðàâëåíèé íà Ñîëíöå, ñîç-
202
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
äàâàÿ «finger-of-God structure». Âûâåñòè èç ïîëó÷åííîé êàðòèíû ðåàëüíûé âèä äèñêà äîâîëüíî ñëîæíî. ×àñòè÷íî ïîäîáíûå ìîäåëè ìîãóò â ýòîì ïîìî÷ü, ïîêàçàâ, êàê ñëåäóåò êîìïåíñèðîâàòü ýôôåêò ãðàâèòàöèîííûõ âîçìóùåíèé, âûçâàííûõ áàðîì. Íà÷àëî ýòîìó óæå ïîëîæåíî â ðàáîòå Pohl è äð. (2008): ñì. ñ. 6 öâåòíîé âêëàäêè. Íî õàîòè÷åñêîå ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå çâåçäíî-ãàçîâûõ êîìïëåêñîâ äðóã ñ äðóãîì è ñ ôðàãìåíòàìè ñïèðàëüíîãî óçîðà ó÷åñòü ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíî. Ïîýòîìó àâòîðû ðàáîòû ïîëàãàþò, ÷òî òîëüêî ïðÿìîå èçìåðåíèå ðàññòîÿíèé ìåòîäîì òðèãîíîìåòðè÷åñêèõ ïàðàëëàêñîâ ïîçâîëèò îêîí÷àòåëüíî âûÿñíèòü ñòðóêòóðó äèñêà Ãàëàêòèêè. Îíè íàäåþòñÿ, ÷òî ýòî ïðîèçîéäåò áëàãîäàðÿ àñòðîìåòðè÷åñêîìó ñïóòíèêó GAIA (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics), çàïóñê êîòîðîãî çàïëàíèðîâàí íà 2013 ã. Æäàòü îñòàëîñü íåäîëãî.
6.5. Òåîðèÿ ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íåèçáåæíî âîçíèêàåò â ñàìîãðàâèòèðóþùåì çâåçäíîì, èëè ãàçîâîì, èëè çâåçäíî-ãàçîâîì äèñêå, âðàùàþùåìñÿ òàê, ÷òî óãëîâàÿ ñêîðîñòü óìåíüøàåòñÿ ñ óäàëåíèåì îò öåíòðà. Âîçíèêàþùèé ïðè ýòîì ñïèðàëüíûé óçîð âðàùàåòñÿ êàê òâåðäîå òåëî è ïîýòîìó íå ðàçìûâàåòñÿ, íåñìîòðÿ íà äèôôåðåíöèàëüíîå âðàùåíèå. Âåùåñòâî æå äèñêà, âðàùàÿñü èíà÷å, ïåðåñåêàåò ñïèðàëè, íåìíîãî èçìåíÿÿ ïðè ïîïàäàíèè â íèõ ñêîðîñòü è íàïðàâëåíèå ñâîåãî äâèæåíèÿ. Ïðè âõîæäåíèè â ñïèðàëüíûé ðóêàâ çâåçäíûé «ãàç» è ìåæçâåçäíîå âåùåñòâî óïëîòíÿþòñÿ è ïîýòîìó ïðîâîäÿò âíóòðè ðóêàâîâ áîëüøå âðåìåíè, ÷åì âíå èõ. Ñàì ñïèðàëüíûé óçîð — ýòî ñïèðàëüíàÿ âîëíà ïëîòíîñòè, ò. å. äîïîëíèòåëüíîå ãðàâèòàöèîííîå ñïèðàëüíîå ïîëå, íàëîæåííîå íà îñåñèììåòðè÷íîå ãðàâèòàöèîííîå ïîëå Ãàëàêòèêè. Òàêàÿ êàðòèíà ïîäòâåðæäàåòñÿ íàáëþäåíèÿìè ñïèðàëüíûõ ñòðóêòóð âíåøíèõ ãàëàêòèê è íàøåé çâåçäíîé ñèñòåìû. Ïðè âõîæäåíèè â ñïèðàëüíûé ðóêàâ â óïëîòíåííîì ãàçå âîçíèêàþò óñëîâèÿ äëÿ ñòèìóëÿöèè ïðîöåññà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Çâåçäû, ðîäèâøèåñÿ íà âíóòðåííåì êðàå ñïèðàëüíîãî ðóêàâà, äâèæóòñÿ ïîïåðåê ðóêàâà è îäíîâðåìåííî ýâîëþöèîíèðóþò. Ïîýòîìó ïîïåðåê ðóêàâà äîëæåí ñóùåñòâîâàòü ãðàäèåíò âîçðàñòà ìîëîäûõ çâåçä. Òàêîé ãðàäèåíò äåéñòâèòåëüíî îáíàðóæåí ìíîãèìè íàáëþäàòåëÿìè. Îí ïîçâîëÿåò îöåíèòü ñêîðîñòü ïåðåìåùåíèÿ ñïèðàëüíîãî óçîðà îòíîñèòåëüíî âåùåñòâà. Ýòà îöåíêà ïîêàçûâàåò, ÷òî Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà íàõîäèòñÿ âáëèçè òîé îáëàñòè, ãäå ñêîðîñòè âðàùåíèÿ âåùåñòâà â äèñêå è ñïèðàëüíîãî óçîðà íà íåì ñîâïàäàþò. Ãàëàêòîöåíòðè÷åñêèé ðàäèóñ, íà êîòîðîì ýòî ïðîèñõîäèò, íàçûâàþò ðàäèóñîì êîðîòàöèè.
6.5. Òåîðèÿ ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû
203
Èññëåäîâàíèÿ âíåøíèõ ãàëàêòèê ïîêàçàëè, ÷òî ñïèðàëüíûå ðóêàâà äîñòàòî÷íî õîðîøî îïèñûâàþòñÿ ëîãàðèôìè÷åñêîé ñïèðàëüþ. Îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè ñïèðàëüíîãî óçîðà — ýòî êîëè÷åñòâî ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ, èõ íàêëîí ê êðóãîâûì îðáèòàì è àìïëèòóäû äîïîëíèòåëüíûõ ñêîðîñòåé, ïðèîáðåòàåìûõ çâåçäàìè è ãàçîì ïðè ïðîõîæäåíèè ñïèðàëüíîãî ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ. Äî ñèõ ïîð îêîí÷àòåëüíî íå óñòàíîâëåíî êîëè÷åñòâî ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ ó Ãàëàêòèêè. Ïîñëå ñîçäàíèÿ òåîðèè âîëí ïëîòíîñòè äîâîëüíî äîëãî ãîñïîäñòâîâàëî ìíåíèå, ÷òî ó Ãàëàêòèêè äâà ñïèðàëüíûõ ðóêàâà. Ïîýòîìó ïðè ìîäåëèðîâàíèè ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû ñ èñïîëüçîâàíèåì òàíãåíöèàëüíûõ íàïðàâëåíèé îáû÷íî ïðåäïîëàãàëè äâóõðóêàâíóþ ñïèðàëü. Îäíàêî ñóùåñòâîâàëè ìîäåëè ñ ÷åòûðåõðóêàâíîé ñïèðàëüþ. Åäèíñòâåííî äîñòîâåðíàÿ êàðòèíà ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû Æîðæåëåíîâ õîòÿ è ïðîñëåæèâàëà áîëüøèå êóñêè îòäåëüíûõ ðóêàâîâ, íî íå óêëàäûâàëàñü â äâóõñïèðàëüíóþ ìîäåëü.  äàëüíåéøåì ÷åòûðåõðóêàâíûé óçîð Ãàëàêòèêè áûë îáíàðóæåí ïî íàáëþäåíèÿì ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ, ñíà÷àëà âî âíåøíåì äèñêå Ãàëàêòèêè, à çàòåì è âî âíóòðåííåì. Æàê Âàëëå â 1995 ã. ïîäâåë èòîã ïÿòíàäöàòèëåòíèì îïðåäåëåíèÿì ïàðàìåòðîâ ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû è ïîëó÷èë ñëåäóþùèå çíà÷åíèÿ: ó Ãàëàêòèêè 4 ñïèðàëüíûõ ðóêàâà, ôîðìà êîòîðûõ ëó÷øå âñåãî ïðåäñòàâëÿåòñÿ ëîãàðèôìè÷åñêîé ñïèðàëüþ, çàêðó÷åííîé ïîä óãëîì 12 ± 1°. Îäíàêî äî ñèõ ïîð âñå ýòè ïîñòðîåíèÿ íå ïîäòâåðæäåíû äåòàëüíîé êàðòèíîé ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû è ðàñïîëîæåíèåì ìîëîäûõ çâåçä â äèñêå. Íàáëþäåíèÿ íàøåé è äðóãèõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê ïîêàçàëè, ÷òî ïëîòíîñòü ãàçà â ñïèðàëüíûõ ðóêàâàõ â íåñêîëüêî ðàç ïðåâûøàåò åãî ïëîòíîñòü â ìåæðóêàâíîì ïðîñòðàíñòâå. Ãàçîâûå ñïèðàëüíûå ðóêàâà ïðîñëåæèâàþòñÿ ãîðàçäî äàëüøå âèäèìûõ ïî çâåçäàì ãðàíèö Ãàëàêòèêè. Ê öåíòðó ñîäåðæàíèå ãàçà ðàñòåò ýêñïîíåíöèàëüíî, è íà÷èíàÿ ñ íåêîòîðîãî ðàññòîÿíèÿ åãî óæå äîñòàòî÷íî, ÷òîáû âêëþ÷èëñÿ ïðîöåññ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà êðàéíå íåîäíîðîäíà è ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé èåðàðõèþ îáëàêîâ, ìàññû êîòîðûõ ðàçëè÷àþòñÿ ïî êðàéíåé ìåðå íà 5 ïîðÿäêîâ. Ñïèðàëüíûå ðóêàâà íàñåëåíû ñàìûìè êðóïíûìè îáëàêàìè ìàññîé äî 106 MA; èõ íàçûâàþò ãèãàíòñêèìè ìîëåêóëÿðíûìè îáëàêàìè (ÃÌÎ). Íàáëþäàÿ Ìëå÷íûé Ïóòü â ëèíèÿõ ìîëåêóëû CO, óäàåòñÿ ïðîñëåäèòü òàêèå îáëàêà âäîëü ñïèðàëüíîãî ðóêàâà â Ñòðåëüöå áîëåå ÷åì íà ïîëîáîðîòà âîêðóã öåíòðà Ãàëàêòèêè. Èìåííî â ÃÌÎ íàõîäÿòñÿ ñàìûå ìîùíûå îáëàñòè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ è ôîðìèðóþòñÿ áîëüøèå — ðàçìåðîì 100 ïê è áîëåå — êîíãëîìåðàòû ìîëîäûõ ìàññèâíûõ çâåçä. Ïîìèìî îïòè÷åñêè ÿðêèõ ìîëîäûõ
204
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
ãîðÿ÷èõ çâåçä, çâåçäíûõ ñêîïëåíèé è àññîöèàöèé, â ýòèõ îáëàñòÿõ ïðèñóòñòâóþò åùå áîëåå ìîëîäûå çâåçäû è ïðîòîçâåçäû, âèäèìûå â îñíîâíîì â ðàäèî- è èíôðàêðàñíîì äèàïàçîíàõ ñïåêòðà. Ýòî êîìïàêòíûå è óëüòðàêîìïàêòíûå îáëàñòè èîíèçîâàííîãî âîäîðîäà, êîòîðûå îêðóæàþò êðàéíå ìîëîäûå è ïëîòíûå ñêîïëåíèÿ ãîðÿ÷èõ çâåçä, åùå íå îñâîáîäèâøèåñÿ îò îêðóæàþùåãî èõ ïëîòíîãî ãàçîâî-ïûëåâîãî êîêîíà, ïåðåèçëó÷àþùåãî â èíôðàêðàñíîì äèàïàçîíå óëüòðàôèîëåòîâîå èçëó÷åíèå çâåçä. Òàêèå îáëàñòè íàáëþäàþòñÿ êàê ñèëüíûå ÈÊ-èñòî÷íèêè ñ òåìïåðàòóðîé èçëó÷åíèÿ îêîëî 100 K. Êðîìå òîãî, â îáëàñòÿõ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ âèäíû ÿðêèå ìàçåðíûå èñòî÷íèêè èçëó÷åíèÿ â ðàäèîëèíèÿõ ãèäðîêñèëà, âîäû è ìåòàíîëà. Ýòè ìàçåðû ñîïðîâîæäàþò ñàìûå ðàííèå ñòàäèè îáðàçîâàíèÿ ìàññèâíûõ çâåçä è ñëóæàò ìàÿêàìè òåõ ìåñò, ãäå îíè îáðàçóþòñÿ. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà äèñêà, íåñîìíåííî, ñâÿçàíà ñ ãëîáàëüíîé ñòðóêòóðîé Ãàëàêòèêè, â ÷àñòíîñòè ñî ñòðîåíèåì åå öåíòðàëüíûõ îáëàñòåé. Îáçîðíûå íàáëþäåíèÿ ìîëåêóëÿðíîãî ãàçà âî âíóòðåííåé Ãàëàêòèêå ïðèíåñëè äâà âàæíûõ ðåçóëüòàòà. Âî-ïåðâûõ, ãàç â äèñêå îáðàçóåò øèðîêîå ïëîòíîå ìîëåêóëÿðíîå êîëüöî ñ âíóòðåííèì è âíåøíèì ðàäèóñàìè 4 è 6 êïê ñîîòâåòñòâåííî. Âî-âòîðûõ, â öåíòðàëüíîé îáëàñòè, â ïðåäåëàõ 3–4 êïê îò öåíòðà Ãàëàêòèêè, íàáëþäàþòñÿ áîëüøèå îòêëîíåíèÿ îò êðóãîâûõ äâèæåíèé. Íà êðèâîé âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè â îáëàñòè R = 1 êïê íàáëþäàåòñÿ ïèê ñêîðîñòè âðàùåíèÿ, à íà 3 êïê — ìèíèìóì. Íåéòðàëüíûé âîäîðîä ïîêàçûâàåò íåêðóãîâûå ñêîðîñòè, äîõîäÿùèå äî 270 êì/ñ. Ãàç â îáëàñòè –10° < l < 10°, ÷òî ïðèìåðíî ñîîòâåòñòâóåò äèàìåòðó 3 êïê, ïîêàçûâàåò ïîëóêîëüöåâóþ ñòðóêòóðó ñ àíîìàëüíûìè ñêîðîñòÿìè, êîòîðóþ ìîæíî ïðåäñòàâèòü êàê ðàñøèðÿþùååñÿ êîëüöî. Äëÿ îáúÿñíåíèÿ îñíîâíûõ àíîìàëüíûõ ñêîðîñòåé ãàçà â îáëàñòè 3 êïê áûëè ïðåäëîæåíû äâå ãèïîòåçû. Ïåðâàÿ ïðåäïîëàãàåò ðàñøèðåíèå òðåõêèëîïàðñåêîâîãî ðóêàâà ñî ñêîðîñòüþ 50 êì/ñ, äðóãàÿ — ñóùåñòâîâàíèå ýëëèïòè÷åñêèõ îðáèò, îáóñëîâëåííûõ ïðèñóòñòâèåì ëèíåéíîé ñòðóêòóðû (áàðà) ñ íåîñåñèììåòðè÷íûì ãðàâèòàöèîííûì ïîòåíöèàëîì. Åùå â 1964 ã. Æ. äå Âîêóë¸ð ïðåäïîëîæèë, ÷òî ó íàøåé Ãàëàêòèêè â öåíòðå åñòü áàð.  ñâîåé ñèñòåìå êëàññèôèêàöèè îí ïðèïèñàë åé òèï SB(rs), ò. å. ñïèðàëüíàÿ ñèñòåìà ñ áàðîì, öåíòðàëüíûì êîëüöîì âîêðóã áàðà è ñïèðàëüíûìè ðóêàâàìè, îòõîäÿùèìè îò ýòîãî êîëüöà. Ñ òåõ ïîð àðãóìåíòîâ â ïîëüçó ñóùåñòâîâàíèÿ âðàùàþùåãîñÿ áàðà ñòàíîâèòñÿ âñå áîëüøå. Îíè âêëþ÷àþò ðàñïðåäåëåíèå ïîâåðõíîñòíîé ÿðêîñòè â èíôðàêðàñíûõ ëó÷àõ, ïîäñ÷åò èíôðàêðàñíûõ èñòî÷íèêîâ â íàïðàâëåíèè öåíòðàëüíûõ îáëàñòåé Ãàëàêòèêè, ðàñïðåäåëåíèå ïåðå-
6.5. Òåîðèÿ ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû
205
Ðèñ. 6.17. Ïðåäïîëàãàåìûå «áëèçíåöû» Ãàëàêòèêè.
ìåííûõ çâåçä òèïà Ìèðû Êèòà, OH/IR-çâåçä íà ïîëîæèòåëüíûõ è îòðèöàòåëüíûõ äîëãîòàõ, êèíåìàòèêó çâåçä â îáëàñòè öåíòðàëüíîé çâåçäíîé êîíöåíòðàöèè (áàëäæà), à òàêæå äâèæåíèå ãàçà âáëèçè öåíòðà Ãàëàêòèêè.  íà÷àëå 1990-õ ãã. íàáëþäåíèÿ öåíòðàëüíîé îáëàñòè Ãàëàêòèêè ñî ñïóòíèêà COBE â èíôðàêðàñíîì äèàïàçîíå íåîïðîâåðæèìî ïîäòâåðäèëè ñóùåñòâîâàíèå áàðà è åãî âëèÿíèå íå òîëüêî íà öåíòðàëüíûå îáëàñòè Ãàëàêòèêè, íî è íà êèíåìàòèêó îáúåêòîâ â îêðåñòíîñòÿõ Ñîëíöà.
206
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè
Ðèñ. 6.18. Tàê âèäèò Ãàëàêòèêó õóäîæíèê R. Hurt (NASA) ïî äàííûì àñòðîíîìîâ. Ñåé÷àñ ýòîò ðèñóíîê íàèáîëåå òî÷íî ïðåäñòàâëÿåò íàø çâåçäíûé äîì.
Äèíàìè÷åñêîå ìîäåëèðîâàíèå öåíòðàëüíîé îáëàñòè Ãàëàêòèêè ïîçâîëèëî óòî÷íèòü ïàðàìåòðû áàðà: îòíîøåíèå îñåé 3:1, äëèíà áîëüøîé îñè 3 ± 1 êïê, áëèæíèé ê Ñîëíöó êîíåö áàðà íàõîäèòñÿ â ïåðâîì êâàäðàíòå ãàëàêòè÷åñêîé äîëãîòû, óãëîâàÿ ñêîðîñòü áàðà — îêîëî 60 êì/(ñ · êïê). Ïðè ýòîì ÿâíîå ïðåèìóùåñòâî èìååò ÷åòûðåõðóêàâíàÿ ìîäåëü Ãàëàêòèêè. Âîçìîæíî, ìû íèêîãäà íå óâèäèì èçîáðàæåíèÿ íàøåé Ãàëàêòèêè èçâíå. Íî óæå ñåãîäíÿ ìû â öåëîì ïðåäñòàâëÿåì ñåáå åå âíåøíèé âèä è ìîæåì äîâîëüíî óâåðåííî óêàçàòü ïîõîæèå ãàëàêòèêè ñðåäè ñîñåäíèõ (ñì. ñ. 1 è 3 öâåòíîé âêëàäêè). Èçâåñòíûé ìîñêîâñêèé èññëåäîâàòåëü ïåðåìåííûõ çâåçä è ãàëàêòèê Þðèé Íèêîëàåâè÷ Åôðåìîâ ñ÷èòàåò, ÷òî îäíîçíà÷íî îïðåäåëèòü òèï íàøåé çâåçäíîé ñèñòåìû ïîêà íåâîçìîæíî.  ñâîåé íåäàâíåé ðàáîòå (Efremov, 2011) îí ïðèâîäèò ñïèñîê èç íåñêîëüêèõ îêðóæàþùèõ ãàëàêòèê, ñõîäíûõ ïî îñíîâíûì ìîð-
6.5. Òåîðèÿ ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû
207
ôîëîãè÷åñêèì ïàðàìåòðàì ñ íàøåé. Ïðè ýòîì íåêîòîðûå èç íèõ ëèøåíû áàðà, äðóãèå ñîäåðæàò íåáîëüøîé áàð. ×àñòü èç íèõ ïîêàçàíà íà ðèñ. 6.17. Áóäåò ëè êîãäà-íèáóäü â ýòîì ðÿäó íàñòîÿùåå ôîòî íàøåé Ãàëàêòèêè? Âñÿ íàäåæäà íà êîëëåã èç ñîñåäíèõ çâåçäíûõ ñèñòåì!
Ëèòåðàòóðà Baba J., Asaki Y., Makino J., Miyoshi M., Saitoh T., Wada K. The origin of large peculiar motions of star-forming regions and spiral structures of our galaxy // Astrophys. J. 2009. Vol. 706. P. 471–481. Brand, J., Blitz, L. The velocity field of the outer Galaxy // Astron. Astrophys. 1993. Vol. 275. P. 67–90. Efremov Yu. N. On the spiral structure of the Milky Way Galaxy // Astronomy Reports. 2011. Vol. 55. P. 108–122. Georgelin Y. M., Georgelin Y. P. The spiral structure of our galaxy determined from HII regions // Astron. Astrophys. 1976. Vol. 49. P. 57–79. Honma M., Sofue Y. Rotation curve of the Galaxy // Publ. Astron. Soc. Japan. 1997. Vol. 49. P. 453–460. Hou L. G., Han J. L., Shi W. B. The spiral structure of our Milky Way Galaxy // Astron. Astrophys. 2009. Vol. 499. P. 473–482. Nakanishi H., Sofue Y. Three-dimentional distribution of the ISM in the Milky Way galaxy: II. The molecular gas disk // Publ. Astron. Soc. Japan. 2006. Vol. 58. P. 847–860. Oort J. H., Kerr F. J., Westerhout G. The galactic system as a spiral nebula. Month. Notic. RAS. 1958. Vol. 118. P. 379–389. Pohl M., Englmaier P., Bissantz N. Three-dimensional distribution of molecular gas in the barred Milky Way // Astrophys. J. 2008. Vol. 677. P. 283–291. Rohlfs K., Kreitschmann J. Kinematics and physical parameters of neutral hydrogen in the inner Galaxy // Astron. Astrophys. 1987. Vol. 178. P. 95–105. Russeil D., Adami C., Georgelin Y. M. Revised distances of northern HII regions // Astron. Astrophys. 2007. Vol. 470. P. 161–171. Surdin V. G. Distance to the galactic centre // Astron. Astrophys. Trans. 1999. Vol. 18. ¹ 2. P. 367–372. Vogt N., Moffat A. F. J. Galactic structure based on young southern open clusters // Astron. & Astrophys. 1975. Vol. 39. P. 477–479.
7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ãëàâà
ÃÀËÀÊÒÈÊÈ: ÊËÀÑÑÈÔÈÊÀÖÈß, ÑÒÐÓÊÒÓÐÀ, ÍÀÑÅËÅÍÈÅ Â. Ã. Ñóðäèí, À. Â. Çàñîâ
çó÷åíèå ãàëàêòèê — ìîëîäàÿ îáëàñòü àñòðîíîìèè ñ íåóñòîÿâøåéñÿ òåðìèíîëîãèåé è ðàñïëûâ÷àòûìè îïðåäåëåíèÿìè. Äàæå â ñàìîì íàçâàíèè äèñöèïëèíû íàáëþäàåòñÿ ðàçíîáîé: ñïåöèàëèñòû â ýòîé îáëàñòè èìåíóþò ñâîè ó÷åáíèêè òî «Galactic astronomy» (Binney, Merrifield, 1998), òî «Âíåãàëàêòè÷åñêàÿ àñòðîíîìèÿ» (Âîðîíöîâ-Âåëüÿìèíîâ, 1978). Íî êàê áû ìû åå íè íàçûâàëè, èçó÷àåìûå åþ îáúåêòû íå ìîãóò íå âîñõèùàòü. Êñòàòè, à ÷òî òàêîå «ãàëàêòèêà»? Òèïè÷íîå îïðåäåëåíèå çâó÷èò òàê: «Ãàëàêòèêà — ýòî ìàññèâíàÿ ãðàâèòàöèîííî ñâÿçàííàÿ ñèñòåìà, ñîñòîÿùàÿ èç çâåçä, çâåçäíûõ îñòàòêîâ, ìåæçâåçäíîãî âåùåñòâà è áîëüøîãî êîëè÷åñòâà íåèçâåñòíîé ñóáñòàíöèè, óñëîâíî íàçûâàåìîé òåìíîé ìàòåðèåé».  ýòîì îïðåäåëåíèè ñìûñë íåêîòîðûõ ñëîâ ñîâåðøåííî ÿñåí, è èõ ìîæíî ëèøü äîïîëíÿòü è óòî÷íÿòü. Ãîâîðÿ î çâåçäàõ, èìåþò â âèäó òàêæå è îêîëîçâåçäíîå âåùåñòâî: ïëàíåòû, àñòåðîèäû, êîìåòû, ãàçîâî-ïûëåâûå äèñêè, ïëàíåòàðíûå òóìàííîñòè. Çâåçäíûå îñòàòêè — ýòî ïëîòíûå îáúåêòû, êîòîðûå îñòàþòñÿ îò çâåçä ïîñëå çàâåðøåíèÿ òåðìîÿäåðíûõ ðåàêöèé: áåëûå êàðëèêè, íåéòðîííûå çâåçäû è ÷åðíûå äûðû. Ïîä ìåæçâåçäíûì âåùåñòâîì ïîäðàçóìåâàåòñÿ ðàçðåæåííûé ãàç (ìîëåêóëû, àòîìû, èîíû), ìåëêèå ìàêðîñêîïè÷åñêèå ÷àñòèöû ìåæçâåçäíîé ïûëè, áûñòðûå ÷àñòèöû êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé; èíîãäà ê ýòîé æå êàòåãîðèè îòíîñÿò è íåâåùåñòâåííûå ñóáñòàíöèè — ìàãíèòíîå ïîëå è ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå. Íî ÷òî òàêîå «òåìíàÿ ìàòåðèÿ»? È íàñêîëüêî ìàññèâíîé äîëæíà áûòü çâåçäíàÿ ñèñòåìà, ÷òîáû íàçûâàòüñÿ ãàëàêòèêîé? ×åòêîãî îòâåòà ïîêà íåò. Çàãàäêà òåìíîé ìàòåðèè — àêòóàëüíàÿ ïðîáëåìà àñòðîíîìèè è ôèçèêè. Ê íåé ìû âåðíåìñÿ â êîíöå ýòîé ãëàâû. À äèàïàçîí ôèçè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ãàëàêòèê — èõ ðàçìåðîâ, ìàññ è ñîñòàâà — äî ñèõ ïîð íå îïðåäåëåí, ïîñêîëüêó ìíîãîîáðàçèå ãàëàêòèê ÿâíî øèðå òîãî, ÷òî äî ñèõ ïîð óäàëîñü èçó÷èòü.  êà÷åñòâå òèïè÷íûõ ìàññ ãàëàêòèê íåðåäêî óêàçûâàþò äèàïàçîí 109–1012 MA. Íî â êàòàëîãàõ ãàëàê-
È
7.1. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ
209
òèê ìîæíî âñòðåòèòü îáúåêòû ñî ñâåòèìîñòüþ ìåíåå 103 LA, ìàññà êîòîðûõ, âîçìîæíî, íå ïðåâûøàåò 104 MA, à âåäü ýòî ìàññà îáû÷íîãî çâåçäíîãî ñêîïëåíèÿ, êîòîðûå òûñÿ÷àìè íàñåëÿþò ëþáóþ êðóïíóþ ãàëàêòèêó. Åñëè êòî-òî âûðàæàåò íåäîóìåíèå ïî ýòîìó ïîâîäó, ñïåöèàëèñòû ïî ãàëàêòèêàì îáû÷íî îòâå÷àþò: äà, áûâàþò ãàëàêòèêè-êàðëèêè î÷åíü ìàëîé ìàññû, íî îíè êðóïíåå è ïîýòîìó ðàçðåæåííåå çâåçäíûõ ñêîïëåíèé ñõîäíîé ìàññû. Îäíàêî â êàòàëîãàõ êàðëèêîâûõ ãàëàêòèê ìû íàéäåì îáúåêòû ðàçìåðîì ìåíåå 100 ïê, à â êàòàëîãàõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé — áîëåå 500 ïê. Êàê âèäèì, è ïî ìàññå, è ïî ðàçìåðó ÷åòêîé ãðàíèöû ìåæäó ãàëàêòèêàìè è âíóòðèãàëàêòè÷åñêèìè çâåçäíûìè ñêîïëåíèÿìè ïðîâåñòè íå óäàåòñÿ. Âïðî÷åì, ïîäîáíàÿ íåîäíîçíà÷íîñòü õàðàêòåðíà íå òîëüêî äëÿ àñòðîíîìèè: ãäå ãðàíèöà ìåæäó îçåðîì è ìîðåì, îñòðîâîì è ìàòåðèêîì? Ïîýòîìó íå ñòàíåì ïîêà òðåáîâàòü îò èññëåäîâàòåëåé òî÷íîãî îïðåäåëåíèÿ òåðìèíà «ãàëàêòèêè», à ïðîñòî áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî ýòî çâåçäíûå îñòðîâà âî Âñåëåííîé.
7.1. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ Ïåðâûé øàã ê èçó÷åíèþ ëþáûõ îáúåêòîâ — èõ êëàññèôèêàöèÿ, à ïåðâûì êðèòåðèåì äëÿ ëþáîé êëàññèôèêàöèè îáû÷íî ñëóæèò âíåøíîñòü îáúåêòà. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ — ýòî óïîðÿäî÷èâàíèå îáúåêòîâ èññëåäîâàíèÿ ïî èõ âíåøíåìó âèäó. Âïåðâûå àñòðîíîìû îòäåëèëè ãàëàêòèêè îò çâåçä åùå â íà÷àëå XVII â., ñðàçó ïîñëå èçîáðåòåíèÿ òåëåñêîïà. Ðàçóìååòñÿ, îá èñòèííîé ïðèðîäå ãàëàêòèê îíè íå äîãàäûâàëèñü, à ëèøü çàìå÷àëè ðàçíèöó ìåæäó îáû÷íûìè çâåçäàìè è ñòðàííûìè «òóìàííûìè çâåçäàìè», èëè «òóìàííîñòÿìè». Åùå â 1612 ã. íåìåöêèé àñòðîíîì Ñèìîí Ìàðèóñ ïåðâûì â Åâðîïå äàë îïèñàíèå Òóìàííîñòè Àíäðîìåäû, à ôðàíöóç Íèêîëÿ-Êëîä Ïåéðåñê òîãäà æå âïåðâûå óïîìÿíóë î Áîëüøîé òóìàííîñòè Îðèîíà. Øëè ãîäû, ñîâåðøåíñòâîâàëèñü òåëåñêîïû, è àñòðîíîìû îáíàðóæèâàëè âñå íîâûå è íîâûå òóìàííîñòè. Èõ ïåðâûé ñïèñîê â 1714 ã. ñîñòàâèë Ýäìóíä Ãàëëåé; â íåì âñåãî 6 îáúåêòîâ.  ñïèñêå Âèëüÿìà Äåðõýìà (1733 ã.) èõ áûëî óæå 16, à Íèêîëà Ëàêàéëü (1755 ã.) îòìåòèë 42 òóìàííûõ îáúåêòà. Îõîòíèêè çà êîìåòàìè Øàðëü Ìåññüå è Ïüåð Ìåøåí (1783 ã.) îïèñàëè 103 òóìàííîñòè, ìåøàâøèå èì îáíàðóæèâàòü «õâîñòàòûå ñâåòèëà»; ýòîò ñïèñîê è ñòàë îñíîâîé çíàìåíèòîãî «Êàòàëîãà òóìàííîñòåé è ñêîïëåíèé çâåçä» Øàðëÿ Ìåññüå (Messier Ch., Catalogue des nebuleuses et les amas d’etoiles). Âìåñòå ñ äðóãèìè òóìàííûìè îáúåêòàìè â íåãî ïîïàëè è äåñÿòêè òåõ, ÷òî ìû ñåãîäíÿ íàçûâàåì ãàëàêòèêàìè (ñì. Ïðèëîæåíèå 1).  òå÷åíèå XIX â. ýòî ÷èñëî ñòðåìèòåëüíî âîçðàñòàëî: áîëåå 2500 îáúåêòîâ ñîäåðæàë «Êàòàëîã òóìàííîñòåé è çâåçäíûõ ñêîïëå-
210
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
íèé» âåëèêîãî íàáëþäàòåëÿ Âèëüÿìà Ãåðøåëÿ (1802 ã.). Åãî ñûí Äæîí Ãåðøåëü â 1864 ã. èçäàë «Îáùèé êàòàëîã òóìàííîñòåé è çâåçäíûõ ñêîïëåíèé» ñ äàííûìè î 5000 òóìàííîñòåé íå òîëüêî ñåâåðíîãî, íî è þæíîãî íåáà. Êîãäà Ãåðøåëü-ñûí çàêàí÷èâàë ñâîé «Îáùèé êàòàëîã», ñîñòîÿëîñü çàìå÷àòåëüíîå èçîáðåòåíèå XIX âåêà — ôîòîãðàôèÿ. Èìåííî àñòðîíîìû ðàíüøå è áîëüøå äðóãèõ ó÷åíûõ èçâëåêëè ïîëüçó èç èçîáðåòåíèÿ ôîòîïëàñòèíêè. Íî íå ñðàçó.  ïåðâûå ãîäû ôîòîãðàôèÿ íå ìîãëà ñîïåðíè÷àòü ñ âèçóàëüíûìè íàáëþäåíèÿìè ïî ÷óâñòâèòåëüíîñòè ê ñâåòó.  1840–1960-å ãã. àñòðîíîìû ôîòîãðàôèðîâàëè Ñîëíöå è Ëóíó, çàòåì — ÿðêèå çâåçäû è ïëàíåòû, è ëèøü â 1880-å ãã. ïðèñòóïèëè ê ñèñòåìàòè÷åñêîìó ôîòîãðàôèðîâàíèþ çâåçäíîãî íåáà. Êàê ðàç òîãäà (1888 ã.) ïîÿâèëñÿ «Íîâûé îáùèé êàòàëîã òóìàííîñòåé è çâåçäíûõ ñêîïëåíèé» Äæîíà Äðåéåðà, çíàìåíèòûé NGC (New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars).  íåãî áûëî çàíåñåíî 7840 íåçâåçäíûõ îáúåêòîâ; áîëüøåãî ðåçóëüòàòà òðóäíî áûëî îæèäàòü îò ÷åëîâå÷åñêîãî ãëàçà, äàæå âîîðóæåííîãî òåëåñêîïîì. Ê ñ÷àñòüþ, êàê ðàç òîãäà ôîòîãðàôèÿ ïðî÷íî âîøëà â àñòðîíîìèþ, íà ôîòîñíèìêàõ êðîìå çâåçä ñòàëî îáíàðóæèâàòüñÿ ìíîæåñòâî íîâûõ òóìàííîñòåé. Ýòî ïîçâîëèëî îïóáëèêîâàòü äâà äîïîëíåíèÿ ê NGC, èçâåñòíûå êàê «Èíäåêñ-êàòàëîãè»: IC I â 1895 ã. è IC II â 1908 ã. Ïðè ýòîì îáùåå ÷èñëî îáúåêòîâ âîçðîñëî äî 13 226. Ñðåäè íèõ ëèøü íåìíîãèå îêàçàëèñü ñêîïëåíèÿìè çâåçä, à áîëüøèíñòâî èìåëî ñîâåðøåííî äèôôóçíûé, ðàçìûòûé âèä. Ñîìíåíèé íå îñòàâàëîñü: â ïðîñòðàíñòâå ìåæäó çâåçäàìè âèäíî «åùå íå÷òî». Êàòàëîãè òåõ ëåò ïî-ïðåæíåìó îáúåäèíÿëè îáúåêòû ðàçíîé ôèçè÷åñêîé ïðèðîäû è óêàçûâàëè ëèøü íåêîòîðûå èõ âíåøíèå ïðèçíàêè.  ñåðåäèíå XIX â. ó íåêîòîðûõ òóìàííîñòåé âïåðâûå áûëà çàìå÷åíà âíóòðåííÿÿ ñòðóêòóðà, â ÷àñòíîñòè íàëè÷èå ñïèðàëüíûõ âåòâåé (ëîðä Ðîññ, Âåëèêîáðèòàíèÿ). Ôîòîãðàôèÿ äàëà âîçìîæíîñòü äîêóìåíòàëüíî çàïå÷àòëåòü èçîáðàæåíèÿ òóìàííîñòåé è èõ îòäåëüíûõ äåòàëåé, êîòîðûå íåëüçÿ óâèäåòü, íàáëþäàÿ â òåëåñêîï ãëàçîì. Íî çâåçäíàÿ ïðèðîäà òóìàííîñòåé äîëãîå âðåìÿ îñòàâàëàñü íåî÷åâèäíîé, à ðàññòîÿíèÿ äî íèõ — íåèçâåñòíûìè. Ðàçóìååòñÿ, îïðåäåëåííûå äîãàäêè î ïðèðîäå òóìàííîñòåé âûäâèãàëèñü óæå äàâíî. Åùå â ñåðåäèíå XVIII â. íåêîòîðûå øèðîêî îáðàçîâàííûå ó÷åíûå (Ýììàíóèë Ñâåäåíáîðã â Øâåöèè, Èììàíóèë Êàíò è Èîãàíí Ëàìáåðò â Ãåðìàíèè, Òîìàñ Ðàéò â Àíãëèè) âûñêàçûâàëè èäåþ î òîì, ÷òî Ãàëàêòèêà, âêëþ÷àþùàÿ â ñåáÿ âñå âèäèìûå íåâîîðóæåííûì ãëàçîì èëè â íåáîëüøîé òåëåñêîï çâåçäû, èìååò êîíå÷íûå ðàçìåðû è ÷òî âî Âñåëåííîé ñóùåñòâóþò äðóãèå ñõîäíûå ñ íåé çâåçäíûå
7.1. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ
211
Ðèñ. 7.1. Âî âíåøíåì âèäå ãàëàêòèê ïîðàæàåò èõ ïðàâèëüíàÿ ôîðìà, íåçàâèñèìî îò òîãî, ñïèðàëüíàÿ îíà (ââåðõó ñëåâà) èëè ýëëèïòè÷åñêàÿ (ââåðõó ñïðàâà). Ýòèì îíè ðåçêî îòëè÷àþòñÿ îò ýìèññèîííûõ ãàëàêòè÷åñêèõ òóìàííîñòåé — ãîðÿ÷èõ îáëàêîâ ãàçà, íàáëþäàåìûõ â Ìëå÷íîì Ïóòè (íèæíèé ðÿä).
îñòðîâà. Åñòåñòâåííî áûëî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî òàêèìè «âíåøíèìè» ãàëàêòèêàìè ÿâëÿþòñÿ è ñâåòëûå òóìàííûå ïÿòíà, óæå çàíåñåííûå â êàòàëîãè. Îò÷àñòè ïðîäâèíóòüñÿ â ðåøåíèè çàãàäêè òóìàííîñòåé ïîìîãëî äðóãîå âåëèêîå èçîáðåòåíèå XIX âåêà — ñïåêòðîñêîï, ïîêàçàâøèé, ÷òî íåêîòîðûå òóìàííîñòè ÿâëÿþòñÿ îáëàêàìè ãîðÿ÷åãî ãàçà. Íî âìåñòå ñ òåì îáíàðóæèâàëèñü è òóìàííîñòè ñî çâåçäíûì ñïåêòðîì; òåïåðü-òî ìû çíàåì, ÷òî ýòî îòðàæàòåëüíûå òóìàííîñòè — õîëîäíûå îáëàêà ñ ïûëüþ, îñâåùåííûå íå ñëèøêîì ãîðÿ÷èìè çâåçäàìè. Ýòî ñïóòàëî êàðòû: îêàçàëîñü, ÷òî ïî ñïåêòðó íåëüçÿ îòëè÷èòü ãàçîâîå îáëàêî îò äàëåêîé «çâåçäíîé êó÷è» (èìåííî òàê ðóññêèå àñòðîíîìû òîé ýïîõè íàçûâàëè çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ). Ïîýòîìó îá èñòèííîì ìàñøòàáå òóìàííûõ îáúåêòîâ àñòðîíîìû íà÷àëà ÕÕ â. íå èìåëè íàäåæíûõ äàííûõ. Õîòÿ óæå â êîíöå XIX â. áûëî ïîíÿòíî, ÷òî ïðèðîäà òóìàííîñòåé
212
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ðèñ. 7.2. Ïàðà Arp 116 ñîäåðæèò äâà êîìïîíåíòà — ãèãàíòñêóþ ýëëèïòè÷åñêóþ ãàëàêòèêó M60 è ñïèðàëüíóþ NGC 4647. Îáå ðàñïîëàãàþòñÿ â ñêîïëåíèè â Äåâå (Virgo), ñîäåðæàùåì áîëåå 1300 ãàëàêòèê, íî ïðÿìîãî êîíòàêòà ìåæäó íèìè ñåé÷àñ íåò: ðàññòîÿíèå äî M60 — îêîëî 17 Ìïê, à äî NGC 4647 — ÷óòü áîëåå 19 Ìïê. ßñíî âèäíî ðàçëè÷èå ìåæäó áåññòðóêòóðíûìè ýëëèïòè÷åñêèìè ãàëàêòèêàìè è ñïèðàëÿìè, îáëàäàþùèìè òîíêîé âíóòðåííåé îðãàíèçàöèåé. Ñèñòåìà NGC 4647 ñâîèì ðàçìåðîì (îêîëî 28 êïê) è ñóììàðíîé ìàññîé çâåçä (îêîëî 1011 MA) î÷åíü ïîõîæà íà íàøó ãàëàêòèêó, à ýëëèïòè÷åñêèé ãèãàíò M60 çàìåòíî êðóïíåå, íà ïîðÿäîê ìàññèâíåå è ñêðûâàåò â ñâîåì ÿäðå ÷åðíóþ äûðó ìàññîé 4,5 · 109 MA. Ôîòî: NASA, ESA, and the Hubble Heritage (STScI/AURA) ESA/Hubble Collaboration.
íåîäèíàêîâà: îäíè èç íèõ ÿâëÿþòñÿ ãàçîâûìè îáëàêàìè, à äðóãèå — äàëåêèìè çâåçäíûìè ñèñòåìàìè, íî îñòàâàëîñü íåÿñíûì, íà êàêèõ ðàññòîÿíèÿõ îò íàñ îíè íàõîäÿòñÿ è äåéñòâèòåëüíî ëè ýòî ãèãàíòñêèå çâåçäíûå îñòðîâà, ïîäîáíûå Ìëå÷íîìó Ïóòè. Åùå â íà÷àëå ÕÕ â. ñ ïîìîùüþ íîâûõ áîëüøèõ òåëåñêîïîâ îáñåðâàòîðèè Ìàóíò-Âèëñîí (ÑØÀ) àñòðîíîìàì âïåðâûå óäàëîñü îáíàðóæèòü èçîáðàæåíèÿ î÷åíü òóñêëûõ çâåçä íà ôîòîãðàôèÿõ íåñêîëüêèõ òóìàííîñòåé.  1923–1924 ãã. àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì Ý. Õàááë íà
7.1. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ
213
2,5-ìåòðîâîì òåëåñêîïå ýòîé îáñåðâàòîðèè íàøåë â íåñêîëüêèõ òóìàííîñòÿõ çâåçäû çíàêîìîãî òèïà — öåôåèäû, ðåãóëÿðíî ìåíÿþùèå ñâîé áëåñê. Ðàññòîÿíèå äî öåôåèä àñòðîíîìû óæå óìåëè îïðåäåëÿòü ïî çàâèñèìîñòè ïåðèîäà èçìåíåíèÿ èõ áëåñêà îò ñðåäíåé ñâåòèìîñòè çâåçäû. Ïîëó÷åííûå îöåíêè ðàññòîÿíèé äî òóìàííîñòåé, â êîòîðûõ ðàçëè÷àëèñü îòäåëüíûå çâåçäû, óáåäèòåëüíî ïîêàçàëè, ÷òî îíè äåéñòâèòåëüíî ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé çâåçäíûå ñèñòåìû ãèãàíòñêèõ ðàçìåðîâ, íàõîäÿùèåñÿ äàëåêî çà ïðåäåëàìè íàøåé ãàëàêòèêè. Òàê ðîäèëàñü íîâàÿ íàóêà — âíåãàëàêòè÷åñêàÿ àñòðîíîìèÿ. Ñ ýòîãî âðåìåíè àñòðîíîìû ïîíÿëè, ÷òî ãàëàêòèêè — ýòî íå÷òî îñîáåííîå, äàëåêîå è ãèãàíòñêîå. Èõ ïåðåñòàëè ïóòàòü ñ îáëàêàìè ãàçà è öåëåíàïðàâëåííî íà÷àëè èçó÷àòü, ïóáëèêóÿ ñîáðàííûå äàííûå â âèäå îòäåëüíûõ êàòàëîãîâ. Îäíèì èç ïåðâûõ â 1932 ã. ïîÿâèëñÿ êàòàëîã Õàðëîó Øåïëè è Àäåëàèäû Ýéìç (Shapley H., Ames A. A Survey of the External Galaxies Brighter than the Thirteenth Magnitude), ñîäåðæàùèé 1249 ãàëàêòèê ÿð÷å 13-é çâåçäíîé âåëè÷èíû ñ óêàçàíèåì èõ âèäèìûõ ïàðàìåòðîâ: êîîðäèíàò, áëåñêà, óãëîâîãî ðàçìåðà, ôîðìû — ïðè÷åì â êà÷åñòâå õàðàêòåðèñòèêè ôîðìû óæå áûë óêàçàí ìîðôîëîãè÷åñêèé êëàññ ïî Õàááëó, ââåäåííûé ëèøü íåñêîëüêèìè ãîäàìè ðàíåå (ñì. íèæå). Ðàññòîÿíèÿ äî áîëüøèíñòâà ãàëàêòèê åùå íå áûëè èçâåñòíû, òåì íå ìåíåå àâòîðû ñìîãëè ïðèéòè ê âûâîäó îá îäíîðîäíîé ïëîòíîñòè Âñåëåííîé (ìåòîäîì, îïèñàííûì íà ñ. 121) è äàæå íàéòè ýòó ïëîòíîñòü: èõ îöåíêà 10–30 ã/ñì3 íåçíà÷èòåëüíî îòëè÷àåòñÿ îò ñîâðåìåííîé! Ïîñëåäíåå îò÷àñòè âûøëî ñëó÷àéíî: îíè íåäîîöåíèëè êàê ìàññó òèïè÷íîé ãàëàêòèêè, âçÿâ 109 MA, òàê è õàðàêòåðíîå ðàññòîÿíèå ìåæäó ãàëàêòèêàìè, ïðèíÿâ åãî ðàâíûì 400 êïê. Ïî-íàñòîÿùåìó ìàññîâîå èçó÷åíèå ãàëàêòèê íà÷àëîñü ïîñëå ñîçäàíèÿ â 1948 ã. ïåðâîãî îáçîðíîãî òåëåñêîïà — 48-äþéìîâîé êàìåðû Øìèäòà Ïàëîìàðñêîé îáñåðâàòîðèè. Ñ åãî ïîìîùüþ áûë îñóùåñòâëåí ïåðâûé ãëóáîêèé ôîòîãðàôè÷åñêèé îáçîð íåáà, âíà÷àëå îõâàòèâøèé âñå ñåâåðíîå è ÷àñòü þæíîãî íåáà. Åãî îñóùåñòâèëè àñòðîíîìû îáñåðâàòîðèè Ìàóíò-Ïàëîìàð, ïðèíàäëåæàùåé Êàëèôîðíèéñêîìó òåõíîëîãè÷åñêîìó èíñòèòóòó, íà ñðåäñòâà, ïîëó÷åííûå ïî ãðàíòó Íàöèîíàëüíîãî ãåîãðàôè÷åñêîãî îáùåñòâà ÑØÀ. Ïîýòîìó îôèöèàëüíîå íàçâàíèå ýòîãî îáçîðà òàêîå: National Geographic Society — Palomar Observatory Sky Survey (NGS—POSS). Íî â íàó÷íîé ëèòåðàòóðå îí îáû÷íî ôèãóðèðóåò êàê Palomar Observatory Sky Survey (POSS), à â íàøåé ëèòåðàòóðå — êàê «Ïàëîìàðñêèé îáçîð». Èíèöèàòîðàìè ýòîãî îáçîðà áûëè Ýäâèí Õàááë, Ìèëòîí Õüþìàñîí, Âàëüòåð Áààäå, Àéðà Áîóåí è Ðóäîëüô Ìèíêîâñêèé. Ïåðâûé ñíè-
214
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
ìîê áûë ïîëó÷åí 11 íîÿáðÿ 1949 ã., ê 20 èþíÿ 1956 ã. áûëî çàêîí÷åíî 99% îáçîðà, à ïîñëåäíèé ñíèìîê áûë ñäåëàí 10 äåêàáðÿ 1958 ã. Ôîòîãðàôèðîâàíèå âåëîñü íà ñòåêëÿííûå êâàäðàòíûå 14-äþéìîâûå (36 ñì) ïëàñòèíêè ôèðìû «Êîäàê». Êàæäûé ñíèìîê ïîêðûâàë îáëàñòü íåáà ðàçìåðîì 6°´6°, ïëîùàäüþ îêîëî 36 êâàäðàòíûõ ãðàäóñîâ. Êàæäàÿ îáëàñòü íåáà ôîòîãðàôèðîâàëàñü äâàæäû: íà ôîòîïëàñòèíêó, ÷óâñòâèòåëüíóþ ê êðàñíûì ëó÷àì, è íà ïëàñòèíêó, ÷óâñòâèòåëüíóþ ê ãîëóáûì ëó÷àì. Ðàçíèöà áëåñêà íà ýòèõ äâóõ èçîáðàæåíèÿõ ïîçâîëÿåò ãðóáî îïðåäåëÿòü öâåò íåáåñíîãî îáúåêòà. Âíà÷àëå îáçîð áûë ïðîâåäåí îò ñåâåðíîãî ïîëþñà ìèðà äî ñêëîíåíèÿ –24° (êîîðäèíàòà öåíòðà ïëàñòèíêè), òî åñòü ïîêðûë âñþ ñåâåðíóþ ïîëóñôåðó íåáà è ïðèýêâàòîðèàëüíóþ ÷àñòü þæíîé äî ñêëîíåíèÿ ïðèìåðíî –27°. Äëÿ ýòîãî ïîíàäîáèëîñü 879 ïàð ïëàñòèíîê. Ïîçæå îáçîð áûë ïðîäîëæåí äî ñêëîíåíèÿ –30°, ïîêðûâ â èòîãå íåáî äî þæíîãî ñêëîíåíèÿ îêîëî –34° íà 936 ïàðàõ ïëàñòèíîê. Ïðåäåëüíàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà ñíèìêîâ íåìíîãî âàðüèðóåòñÿ îò îáëàñòè ê îáëàñòè, â ñðåäíåì èìåÿ çíà÷åíèå 22m.  ïîëíîì âèäå Ïàëîìàðñêèé îáçîð áûë îïóáëèêîâàí êàê 1872 íåãàòèâíûõ ôîòîîòïå÷àòêîâ, êàæäûé ðàçìåðîì 14´14 äþéìîâ. Ïîçæå îáçîð áûë ïðîäîëæåí íà þæíîå íåáî, à â 1986 ã. íà÷àëîñü öèôðîâîå ñêàíèðîâàíèå ôîòîïëàñòèíîê Ïàëîìàðñêîãî îáçîðà, è â ðåçóëüòàòå ýòîé ðàáîòû â 1994 ã. áûë îïóáëèêîâàí «Îöèôðîâàííûé îáçîð íåáà» (Digitized Sky Survey), ïî ÷àñòÿì äîñòóïíûé â Èíòåðíåòå. Áîëüøèíñòâî êðóïíûõ îáñåðâàòîðèé àêòèâíî èñïîëüçîâàëî è èñïîëüçóåò Ïàëîìàðñêèé îáçîð. Îí ñòàë îñíîâíîé äëÿ ìíîãèõ êàòàëîãîâ è ïîçâîëèë îòêðûòü ìíîãî íîâûõ èíòåðåñíûõ îáúåêòîâ. Îñîáåííî ïîëåçåí îí îêàçàëñÿ äëÿ èññëåäîâàíèÿ ãàëàêòèê è èõ ñêîïëåíèé. Íà åãî îñíîâå áûëè ñîçäàíû çíàìåíèòûå êàòàëîãè: «Ìîðôîëîãè÷åñêèé êàòàëîã ãàëàêòèê» (1962–1968) Á. À. Âîðîíöîâà-Âåëüÿìèíîâà, ñîäåðæàùèé äåòàëüíîå îïèñàíèå âíåøíîñòè 29 òûñ. ãàëàêòèê; «Êàòàëîã ãàëàêòèê è ñêîïëåíèé ãàëàêòèê» (1961–1965) Ôðèöà Öâèêêè (Zwicky F. et. al. Catalogue of Galaxies and Clusters of Galaxies) è äð. Ýòîò áîãàòåéøèé ìàòåðèàë ïðîäåìîíñòðèðîâàë ÷ðåçâû÷àéíîå ðàçíîîáðàçèå ôîðì ãàëàêòèê è ñòàë îñíîâíîé äëÿ èõ ìîðôîëîãè÷åñêîé êëàññèôèêàöèè. Ïóòåì îáúåäèíåíèÿ ãàëàêòèê â ãðóïïû ïî îäíîé èëè íåñêîëüêèì õàðàêòåðèñòèêàì, òàêèì êàê ôîðìà, ñïåêòð è ñâåòèìîñòü, áûëè ðàçðàáîòàíû ðàçëè÷íûå ñõåìû êëàññèôèêàöèè äëÿ íàâåäåíèÿ ïîðÿäêà â ýòîì ãàëàêòè÷åñêîì «çâåðèíöå». Ïîçíàêîìèìñÿ ñ íåñêîëüêèìè èç ýòèõ ñõåì, õîòÿ èõ ãîðàçäî áîëüøå, âêëþ÷àÿ ñõåìû êëàññèôèêàöèè ðàäèîãàëàêòèê èëè äðóãèõ ðåäêèõ çâåçäíûõ ñèñòåì (Sandage, 1975).
7.1. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ
215
7.1.1. Êëàññèôèêàöèÿ ïî Õàááëó Ýòî íàèáîëåå èçâåñòíàÿ è ÷àñòî èñïîëüçóåìàÿ ñõåìà, ðàçâèòàÿ Ýäâèíîì Õàááëîì â 1923 ã. è îïóáëèêîâàííàÿ â 1925–1926 ãã. Ìû óæå íå ðàç èñïîëüçîâàëè åå â ïðåäûäóùèõ ãëàâàõ. Ýòà ñõåìà îñíîâàíà òîëüêî íà íàáëþäàåìîé ôîðìå ãàëàêòèêè. Ñîãëàñíî êëàññèôèêàöèè Õàááëà, âûäåëÿåòñÿ òðè îñíîâíûõ òèïà ãàëàêòèê: ñïèðàëüíûå (S, SB) è ýëëèïòè÷åñêèå (E) ãàëàêòèêè, êîòîðûå âåñüìà ñèììåòðè÷íû, è íåïðàâèëüíûå, èëè èððåãóëÿðíûå (Ir èëè Irr), èìåþùèå íåñèììåòðè÷íûé, êëî÷êîâàòûé âèä. Áóêâåííûå îáîçíà÷åíèÿ ýòèõ òèïîâ ïðîèñõîäÿò îò àíãëèéñêèõ ñëîâ spiral, elliptical è irregular. Ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè ïî÷òè íèêîãäà íå äåìîíñòðèðóþò êàêîé-ëèáî âíóòðåííåé ñòðóêòóðû, à ëèøü ìîíîòîííîå âîçðàñòàíèå ÿðêîñòè ê öåíòðó, õîòÿ â ïðåäåëàõ 1–2 êïê îò öåíòðà â ðåäêèõ ñëó÷àÿõ ó íèõ âñå æå íàáëþäàþòñÿ íåáîëüøèå çâåçäíûå èëè ãàçîâûå äèñêè. Ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè îïðàâäûâàþò ñâîå íàçâàíèå, äåìîíñòðèðóÿ ñïèðàëåâèäíûé óçîð íà äèñêå. Èõ ïîäðàçäåëÿþò íà äâà ïîäòèïà — íîðìàëüíûå ñïèðàëè (S) è ñïèðàëè ñ ïåðåìû÷êîé, èëè áàðîì (bar), êîòîðûå èíîãäà íàçûâàþò ïåðåñå÷åííûìè ñïèðàëÿìè (SB). Ó íîðìàëüíûõ ñïèðàëåé ðóêàâà íà÷èíàþòñÿ ïðàêòè÷åñêè îò ñàìîãî öåíòðà, à ó ïåðåñå÷åííûõ îòõîäÿò îò êîíöîâ ïðÿìîëèíåéíîé ñòðóêòóðû (áàðà, ïåðåêëàäèíû), ñèììåòðè÷íî ïåðåñåêàþùåé öåíòð ãàëàêòèêè. Ãðóïïó ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê ïðåäñòàâëÿåò ðÿä, íà÷èíàþùèéñÿ ñ ãàëàêòèê êðóãëîé ôîðìû (E0) è çàêàí÷èâàþùèéñÿ î÷åíü âûòÿíóòûìè ãàëàêòèêàìè (E6 è E7). Öèôðà â ýòèõ îáîçíà÷åíèÿõ óêàçûâàåò ñòåïåíü íàáëþäàåìîé âûòÿíóòîñòè ýëëèïñîèäà è âû÷èñëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå 10(a – b)/a, ãäå a è b — äëèíà áîëüøîé è ìàëîé îñåé ýëëèïñà, àïïðîêñèìèðóþùåãî âèäèìóþ ôîðìó ãàëàêòèêè. Êðîìå ýòîãî, íîðìàëüíûå è ïåðåñå÷åííûå ñïèðàëè ïîäðàçäåëÿþòñÿ ïî ñòåïåíè çàêðó÷åííîñòè ðóêàâîâ, êîòîðàÿ óêàçûâàåòñÿ â âèäå ñòðî÷íîé ëàòèíñêîé áóêâû «a», «b» èëè «c» â ïîðÿäêå óìåíüøåíèÿ ïëîòíîñòè çàêðóòêè ðóêàâîâ è ðîñòà èõ êëî÷êîâàòîñòè. Íîðìàëüíûå ñïèðàëè îõâàòûâàþò äèàïàçîí îò Sa ñ òóãî çàêðó÷åííûìè ðóêàâàìè äî Sc ñ áîëüøèì ðàññòîÿíèåì ìåæäó ðóêàâàìè, áûñòðî óäàëÿþùèìèñÿ îò öåíòðà ïî ìåðå ïðîäâèæåíèÿ îò íà÷àëà ðóêàâà â öåíòðå ãàëàêòèêè ê åãî îêîí÷àíèþ íà êðàþ äèñêà. Òàêóþ æå ïîñëåäîâàòåëüíîñòü îáðàçóþò è ïåðåñå÷åííûå ñïèðàëè: SBa, SBb è SBc. Ïîäãðóïïû ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê Õàááë íàçûâàë «ðàííèìè» (Sa è SBa), «ïðîìåæóòî÷íûìè» (Sb è SBb) è «ïîçäíèìè» (Sc è SBc). Ðàçëè÷èå ìåæäó áëèçêèìè ïî õàááëîâñêîìó òèïó ñïèðàëüíûìè ñèñòåìàìè ìîæíî ïðîäåìîíñòðèðîâàòü íà ïðèìåðå áëèæàéøèõ
216
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ðèñ. 7.3. Ñõåìà êëàññèôèêàöèè ãàëàêòèê ïî Õàááëó (êëàññè÷åñêèé âàðèàíò «êàìåðòîííîé» äèàãðàììû).
êðóïíûõ ñïèðàëåé — Òóìàííîñòè Àíäðîìåäû (Ì31) è íàøåé ãàëàêòèêè Ìëå÷íûé Ïóòü. Ïî Õàááëó îíè ðàçëè÷àþòñÿ íå î÷åíü ñèëüíî, íî ôèçè÷åñêèå ðàçëè÷èÿ ìåæäó íèìè âïîëíå çàìåòíû (òàáë. 7.1). Õîòÿ èõ äèñêè áîëåå èëè ìåíåå ñõîäíû (çà èñêëþ÷åíèåì ïðåäïîëàãàåìîãî áàðà ó íàøåé ãàëàêòèêè), ñôåðè÷åñêèå ïîäñèñòåìû ó íèõ ñóùåñòâåííî ðàçíûå: ó Àíäðîìåäû ñâåòèìîñòü áàëäæà âòðîå áîëüøå íàøåãî, îí çíà÷èòåëüíî áîãà÷å íàñåëåí øàðîâûìè ñêîïëåíèÿìè, à íà åãî ïåðèôåðèè ðàñïîëàãàþòñÿ äâà ìîãó÷èõ ýëëèïòè÷åñêèõ ñïóòíèêà — M32 è NGC 205.  òî æå âðåìÿ íà ïåðèôåðèè Ìëå÷íîãî Ïóòè ìû èìååì äâà êðóïíûõ íåïðàâèëüíûõ ñïóòíèêà — Ìàãåëëàíîâû Îáëàêà, è ñîäåðæàíèå ãàçà â íàøåì äèñêå íåìíîãî âûøå, ÷åì â Àíäðîìåäå; âîçìîæíî, ýòè ðàçëè÷èÿ êàê-òî ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé. Êðîìå òîãî, ïðè ñõîäíîì ñîäåðæàíèè ãàçà â äèñêàõ òåìï çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â íàøåé ãàëàêòèêå çàìåòíî âûøå, ÷åì â Àíäðîìåäå, ïîýòîìó ñ÷èòàòü ýòè ãàëàêòèêè êîïèÿìè äðóã äðóãà áûëî áû íåîïðàâäàííûì óïðîùåíèåì. Ê ñâîåé èñõîäíîé ñõåìå êëàññèôèêàöèè ãàëàêòèê Õàááë ïîçæå äîáàâèë êàòåãîðèþ S0 («ýñ-íîëü») äëÿ îïèñàíèÿ, êàê îí ñ÷èòàë, ïåðåõîäíîãî òèïà ìåæäó ýëëèïòè÷åñêèìè è ñïèðàëüíûìè ñèñòåìàìè. Îí îïðåäåëèë òèï S0 êàê ëèíçîîáðàçíûå (àíãë. lenticulars) ñèñòåìû ñ ÿäðàìè, îêðóæåííûìè äèñêîîáðàçíîé ñòðóêòóðîé, ëèøåííîé ãàçîâîãî äèñêà è ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ. Åùå ïîçæå Àëëàí Ñýíäèäæ ðàçäåëèë ýòó êàòåãîðèþ íà íîðìàëüíûå ëèíçîâèäíûå ãàëàêòèêè (S0) è ëèíçîâèäíûå ãàëàêòèêè ñ áàðîì (SB0). À ïîçæå è ýòè òèïû ðàñïàëèñü íà
217
7.1. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ
Òàáëèöà 7.1 Ñðàâíåíèå íàøåé ãàëàêòèêè è M31 Õàðàêòåðèñòèêè Ìîðôîëîãè÷åñêèé òèï ïî Õàááëó
M31 (Àíäðîìåäà)
Ãàëàêòèêà (Ìëå÷íûé Ïóòü)
Sb
S(B)bc
7,7 · 109 0,25 2,2 0,57 155 400–500
2 · 109 0,12 2,7 0,85 130 160–200
2,4 · 1010 6,4 0,76 3 · 109 260 2,6 · 109 –0,04
1,7 · 1010 3–5 0,85 4 · 109 220–240 1,5 · 1010 –0,08
Áàëäæ Ñâåòèìîñòü (L¤) Ñâåòèìîñòü (äîëÿ îò ïîëíîé) Ýôôåêòèâíûé ðàäèóñ Re (êïê) Îòíîøåíèå îñåé Äèñïåðñèÿ ñêîðîñòåé (êì/ñ) Êîëè÷åñòâî øàðîâûõ ñêîïëåíèé Äèñê Ñâåòèìîñòü (L¤) Ýêñïîíåíöèàëüíûé ìàñøòàá äèñêà h (êïê) Ïîêàçàòåëü öâåòà B–V (òî÷íîñòü ±0,1) Ñîäåðæàíèå ãàçà HI (M¤) Ñêîðîñòü âðàùåíèÿ (êì/ñ) Èíôðàêðàñíàÿ ñâåòèìîñòü (L¤) Ãðàäèåíò ìåòàëëè÷íîñòè ãàçà (dex/êïê)
ãðóïïû S01, S02 è S03 â ñîîòâåòñòâèè ñî ñòåïåíüþ âûðàæåííîñòè ïûëåâîé ïîëîñû âäîëü èõ áîëüøîé îñè: íàèáîëåå çàìåòíà îíà ó ãàëàêòèê òèïà S03. Ïðîèñõîäèëè è äðóãèå äîïîëíåíèÿ ñõåìû Õàááëà. Íàïðèìåð, Æåðàð äå Âîêóë¸ð ââåë ìåæäó êëàññàìè Sc (SBc) è Irr ïåðåõîäíûå òèïû Sd (SBd) è Sm (SBm), ãäå áóêâà «m» óêàçûâàåò íà ñõîäñòâî ñ Ìàãåëëàíîâûìè Îáëàêàìè. Äëÿ îáëåã÷åíèÿ ñòàòèñòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé ãàëàêòèê Âîêóë¸ð ââåë øêàëó ÷èñëîâûõ ñòóïåíåé T, êîòîðûå îí ïîñòàâèë â ñîîòâåòñòâèå ðàñøèðåííîé èì ïîñëåäîâàòåëüíîñòè õàááëîâñêèõ òèïîâ. Ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè îí ðàçäåëèë íà òðè ñòóïåíè: êîìïàêòíûå (cE), íîðìàëüíûå (E) è ïîçäíåãî òèïà (E+). Òàê æå ðàçäåëèë è ëèíçîâèäíûå ñèñòåìû: ðàííèå (S0–), ïðîìåæóòî÷íûå (S0) è ïîçäíèå (S0+). Íåïðàâèëüíûå ãàëàêòèêè ìîãóò áûòü ìàãåëëàíîâîãî òèïà (T = 10) è «êîìïàêòíûå» (T = 11). Êëàññèôèêàöèþ Õàááëà ÷àñòî èçîáðàæàþò ãðàôè÷åñêè â âèäå «êàìåðòîííîé» äèàãðàììû (ðèñ. 7.3, 7.4 è 8.1). Íîæêîé êàìåðòîíà ñëóæèò ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê îò E0 äî E7. Ó òèïà S0 îíà ðàçäâàèâàåòñÿ, ïðåâðàùàÿñü â «âèëêó» — â äâå ïîñëåäîâàòåëüíî-
218
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ðèñ. 7.4. Ðàçâèòèå êëàññèôèêàöèè ïî Õàááëó ïðîèñõîäèëî â îñíîâíîì çà ñ÷åò äåòàëèçàöèè êëàññà ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèê S0, êîòîðûé ðàçäåëèëè íà S01, S02 è S03, à òàêæå ñîîòâåòñòâóþùèå ñèñòåìû ñ áàðîì.
ñòè ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê. Âäîëü îäíîé èç íèõ èäóò íîðìàëüíûå ñïèðàëè (îò Sa äî Sc), à âäîëü äðóãîé — ïåðåñå÷åííûå (îò SBa äî SBc). Íåïðàâèëüíûå ñèñòåìû îáû÷íî â ýòîò «êàìåðòîí» íå âïèñûâàþò ëèáî ðàñïîëàãàþò çà ãàëàêòèêàìè Sc è SBc (ñì. ðèñ. 7.11), ïîñêîëüêó íåïðàâèëüíûå ãàëàêòèêè èìåþò ïðåäåëüíî êëî÷êîâàòûé âèä.  íàøè äíè èíîãäà ãîâîðÿò, ÷òî ãàëàêòèêè îòíîñÿòñÿ ê «ðàííèì» (E è S0) èëè
Ðèñ. 7.5. Îáúåìíàÿ âåðñèÿ äèàãðàììû Õàááëà, ïðåäëîæåííàÿ Ïîëîì Õîäæåì (Hodge, 1966). Çäåñü íîðìàëüíûå ñïèðàëè è ñïèðàëè ñ áàðîì ðàçíåñåíû ïî ðàçíûì ïëîñêîñòÿì, à «âèëêå êàìåðòîíà» ñîîòâåòñòâóåò äåëåíèå íà ñïèðàëè ñ êîëüöîì (r) è áåç êîëüöà (s).
219
7.1. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ
Òàáëèöà 7.2 Ðàñøèðåííàÿ õàááëîâñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ (ïî Âîêóë¸ðó) è ñîîòâåòñòâóþùàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ÷èñëîâûõ ñòóïåíåé Ñòóïåíü T –6 –5 –4 –3 –2 –1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11
Òèï cE E E+ S0– S00 S0+ S0/a Sa Sab Sb Sbc Sc Scd Sd Sdm Sm Im Âîêóë¸ðà
«ïîçäíèì» (Sb, Sc, Irr) òèïàì. Ýòî îòãîëîñîê óñòàðåâøèõ ïðåäñòàâëåíèé î òîì, ÷òî ãàëàêòèêè ýâîëþöèîíèðóþò âäîëü ïîñëåäîâàòåëüíîñòè E ® S ® Irr, êàê, ïî-âèäèìîìó, ïîëàãàë ñàì Õàááë. Ñëåäóåò èìåòü â âèäó, ÷òî âíåøíèé âèä ãàëàêòèêè, à çíà÷èò, è åå ìîðôîëîãè÷åñêèé òèï â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ìîæåò ñèëüíî çàâèñåòü îò òîãî, êàê èìåííî ïîëó÷åíî èçîáðàæåíèå çâåçäíîé ñèñòåìû. Îñîáåííî ýòî ïðîÿâëÿåòñÿ ó ãàëàêòèê ñ ìîùíîé ñôåðè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé, ÿðêîñòü êîòîðîé çíà÷èòåëüíî âîçðàñòàåò ê öåíòðó è ìîæåò ìàñêèðîâàòü âíóòðåííèå ñòðóêòóðíûå ýëåìåíòû ãàëàêòèêè. Íàïðèìåð, ãàëàêòèêà IC 3328 â ñêîïëåíèè Virgo îáû÷íî êëàññèôèöèðîâàëàñü êàê êàðëèêîâàÿ ýëëèïòè÷åñêàÿ ñèñòåìà. Äåéñòâèòåëüíî, èìåííî òàê îíà âûãëÿäèò íà ñòàíäàðòíûõ ñíèìêàõ íåáà, ãäå åå âíóòðåííÿÿ ÷àñòü íå äåìîíñòðèðóåò äåòàëåé, ïîñêîëüêó èçîáðàæåíèå ýòîé îáëàñòè ñóùåñòâåííî ïåðåäåðæàíî (ðèñ. 7.6, ñëåâà). Íàìåðåâàÿñü èçìåðèòü ðàññòîÿíèå äî ýòîé ãàëàêòèêè ìåòîäîì ôëóêòóàöèé ïîâåðõíîñòíîé ÿðêîñòè (ðàçäåë 7.2), àñòðîíîìû Åâðîïåéñêîé þæíîé îáñåðâàòîðèè ñãëàäèëè öèôðîâûì ìåòîäîì ìÿãêîé ìàñ-
Ðèñ. 7.6. Ãàëàêòèêà IC 3328 (íåãàòèâ). Ñëåâà — îáû÷íûé ñíèìîê, à ñïðàâà íà èçîáðàæåíèè ãàëàêòèêè âûðîâíåí ãðàäèåíò ÿðêîñòè è óñèëåí êîíòðàñò. Ôîòî: VLT ESO.
220
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
êè ãðàäèåíò ÿðêîñòè èçîáðàæåíèÿ è óñèëèëè åãî êîíòðàñò. Ê óäèâëåíèþ ó÷åíûõ, íà èçîáðàæåíèè ïðîñòóïèëà ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà. Åå êîíòðàñò î÷åíü ìàë — âñåãî 3% îò ôîíà, ïîýòîìó íà èñõîäíîì ñíèìêå îíà íå áûëà çàìåòíà.  ðåçóëüòàòå ãàëàêòèêà, êîòîðàÿ ïðåæäå êëàññèôèöèðîâàëàñü êàê êàðëèêîâàÿ ýëëèïòè÷åñêàÿ ñ ÿäðîì (dE1, N), «ïðåâðàòèëàñü» â êàðëèêîâóþ ëèíçîâèäíóþ ñèñòåìó (dS0) ñ î÷åíü ñëàáûì ñïèðàëüíûì óçîðîì. Äèàìåòð åå ñïèðàëüíîãî óçîðà âñåãî 4,5 êïê, òàê ÷òî ýòî ñàìàÿ ìàëåíüêàÿ èç ãàëàêòèê ñî ñïèðàëüíûìè ðóêàâàìè. Íî ïîñêîëüêó îíè ñëàáî âûðàæåííûå è ÷èñòî çâåçäíûå (â íèõ íå çàìåòíî íè ïûëè, íè ãàçà â âèäå ýìèññèîííûõ òóìàííîñòåé), åå âñå æå îòíåñëè ê ëèíçîâèäíûì ñèñòåìàì. 7.1.2. Êëàññèôèêàöèÿ ïî Ìîðãàíó (Éåðêññêàÿ ñèñòåìà) Ñõåìà, ðàçðàáîòàííàÿ Óèëüÿìîì Ìîðãàíîì (W. W. Morgan), îïèðàåòñÿ íà ôîðìó ãàëàêòèêè, èíòåãðàëüíûé îïòè÷åñêèé ñïåêòð åå öåíòðàëüíîé êîíäåíñàöèè (áàëäæà, îò àíãë. bulge — âçäóòèå) è ñòåïåíü êîíöåíòðàöèè çâ¸çä ê öåíòðó ñèñòåìû.  ýòîé ñõåìå ñïåêòðàëüíûå òèïû ãàëàêòèê îáîçíà÷àþòñÿ êàê a, af, f, fg, g, gk è k â ñîîòâåòñòâèè ñî ñïåêòðàëüíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòüþ çâåçä (A, F, G, K). Îòäåëüíî ñòåïåíü êîíöåíòðàöèè íå óêàçûâàåòñÿ, ïîñêîëüêó îíà ñèëüíî êîððåëèðóåò ñî ñïåêòðîì: çâåçäû ñïåêòðàëüíîãî êëàññà K ïîêàçûâàþò ñèëüíóþ êîíöåíòðàöèþ ê ÿäðó ãàëàêòèêè, à çâåçäû êëàññà A — ñëàáóþ. Ïîýòîìó ãàëàêòèêè òèïà «a» — ýòî ïîçäíèå ñïèðàëè è íåïðàâèëüíûå ñèñòåìû âðîäå Ìàãåëëàíîâûõ Îáëàêîâ, à ãàëàêòèêè òèïà «k» — ãèãàíòñêèå ýëëèïòè÷åñêèå ñèñòåìû è ñïèðàëè âðîäå Ì31, ó êîòîðîé çíà÷èòåëüíóþ äîëþ ñâåòèìîñòè â âèçóàëüíîì äèàïàçîíå îáåñïå÷èâàåò àìîðôíàÿ öåíòðàëüíàÿ êîíäåíñàöèÿ. Ôîðìû ãàëàêòèê îáîçíà÷àþòñÿ êàê S (ñïèðàëüíàÿ), B (ïåðåñå÷åííàÿ ñïèðàëü), E (ýëëèïòè÷åñêàÿ), I (íåïðàâèëüíàÿ), Ep (ýëëèïòè÷åñêàÿ ñ ïîãëîùåíèåì ñâåòà ïûëüþ), R (êðóãîâàÿ ñèììåòðèÿ áåç ÿâíûõ ïðèçíàêîâ ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû èëè ýëëèïòè÷åñêîé ôîðìû), D (ýëëèïòè÷åñêîå ÿäðî ñ ïðîòÿæåííîé îáîëî÷êîé), L (íèçêàÿ ïîâåðõíîñòíàÿ ÿðêîñòü) è N (ìàëåíüêîå ÿðêîå ÿäðî). Íàêëîí ê ëó÷ó çðåíèÿ ìîæåò èçìåíÿòüñÿ îò 1 (ïëàøìÿ, êðóãëàÿ) äî 7 (ñ ðåáðà, a/b = 10). Íàïðèìåð, ãàëàêòèêà Àíäðîìåäà ïî ýòîé êëàññèôèêàöèè îáîçíà÷àåòñÿ êàê kS5. Ãèãàíòñêèå ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè ñ î÷åíü ïðîòÿæåííûìè è ìàññèâíûìè îáîëî÷êàìè îáîçíà÷àþòñÿ êàê cD (òàêèå ÷àñòî îáíàðóæèâàþòñÿ â öåíòðàõ ñêîïëåíèé). Ýòó ñõåìó Ìîðãàí ðàçðàáîòàë â Éåðêññêîé îáñåðâàòîðèè, îòñþäà è åå âòîðîå íàçâàíèå — Yerkes system. Ó÷èòûâàÿ ñïåêòð/öâåò ãàëàêòèêè, ñèñòåìà Ìîðãàíà ñîîáùàåò íàì êîå-÷òî
7.1. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ
221
îá åå ýâîëþöèîííîì ñòàòóñå — îá èíòåíñèâíîñòè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â íåäàâíåì ïðîøëîì, òîãäà êàê äðóãèå ñõåìû êëàññèôèêàöèè êîíöåíòðèðóþòñÿ ëèøü íà âíåøíåì âèäå ãàëàêòèêè. 7.1.3. Êëàññèôèêàöèÿ ïî Âîêóë¸ðó Ýòó ñõåìó äëÿ êëàññèôèêàöèè ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê ïðåäëîæèë èçâåñòíûé ôðàíöóçñêèé àñòðîíîì, â îñíîâíîì ðàáîòàâøèé â ÑØÀ, Æåðàð äå Âîêóë¸ð (Gérard Henri de Vaucouleurs). Ó÷èòûâàÿ, ÷òî òîë÷êîì äëÿ åå ñîçäàíèÿ ñòàëè äèñêóññèè Âîêóë¸ðà ñ Àëëàíîì Ñýíäèäæåì â 1955 ã. ïî ïîâîäó âîçìîæíîãî ðàçâèòèÿ êëàññèôèêàöèè Õàááëà, ïðåäëîæåííóþ Âîêóë¸ðîì â 1959 ã. ñõåìó êëàññèôèêàöèè èíîãäà íàçûâàþò «êëàññèôèêàöèåé Âîêóë¸ðà—Ñýíäèäæà» (de Vaucouleurs— Sandage classification), íî ÷àùå ïðîñòî «êëàññèôèêàöèåé Âîêóë¸ðà». Åå ñõåìà èìååò òðåõìåðíóþ ôèãóðó âåðåòåíà (ðèñ. 7.7), õîòÿ âîçìîæíà è äâóìåðíàÿ åå ïðîåêöèÿ (de Vaucouleurs, 1959). Îñíîâíûì íåäîñòàòêîì êëàññèôèêàöèè Õàááëà Âîêóë¸ð ñ÷èòàë òî, ÷òî ðàçäåëåíèå ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê òîëüêî íà ñèñòåìû ñ áàðîì è áåç áàðà íåäîñòàòî÷íî ïîëíî îòðàæàåò ðåàëüíûé äèàïàçîí ìîðôîëîãè÷åñêèõ îñîáåííîñòåé ñïèðàëåé.  ÷àñòíîñòè, îí óêàçûâàë íà òàêèå èõ ñòðóêòóðíûå îñîáåííîñòè, êàê êîëüöà è áàëäæè.  îñíîâå ñâîåé ñèñòåìû Âîêóë¸ð ñîõðàíèë õàááëîâñêîå ðàçäåëåíèå ãàëàêòèê íà ýëëèïòè÷åñêèå, ëèíçîâèäíûå, ñïèðàëüíûå è íåïðàâèëüíûå. Êëàññèôèêàöèÿ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê òîæå ñîõðàíèëàñü. Èçìåíåíèÿ çàòðîíóëè êëàññèôèêàöèþ ñïèðàëüíûõ è â ìåíüøåé ñòåïåíè ëèíçîâèäíûõ è íåïðàâèëüíûõ ãàëàêòèê. Ïîäñ÷åòû ïîêàçàëè, ÷òî ãàëàêòèê ñ áàðîì ïðèìåðíî ñòîëüêî æå, ñêîëüêî è ãàëàêòèê áåç áàðà. Ïîýòîìó íàçûâàòü èìåííî ãàëàêòèêè áåç áàðà íîðìàëüíûìè (normal spirals) ïî ìåíüøåé ìåðå ñòðàííî. Âîêóë¸ð ïðåäëîæèë íàçûâàòü èõ ïðîñòûìè (ordinary spirals) è îáîçíà÷àòü êàê SA, òîãäà êàê ñïèðàëè ñ áàðîì (barred spirals) ñîõðàíèëè ñâîå îáîçíà÷åíèå SB. Ïðè ýòîì ïðîñòûå ñïèðàëè ñòàëè íå áîëåå íîðìàëüíûìè, ÷åì ñïèðàëè ñ áàðîì. Ãàëàêòèêè, îáëàäàþùèå ñâîéñòâàìè êàê SA, òàê è SB, îòíåñåíû ê ïåðåõîäíîìó êëàññó SAB. Òå ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè, êîòîðûå íåâîçìîæíî òî÷íî êëàññèôèöèðîâàòü (â ñèëó íèçêîãî êà÷åñòâà èçîáðàæåíèÿ, ñèëüíîãî íàêëîíà ê ëó÷ó çðåíèÿ è ò. ï.) îáîçíà÷åíû ïðîñòî êàê S. Òàêèå æå èçìåíåíèÿ êîñíóëèñü ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèê: ñèñòåìû áåç áàðà ïîëó÷èëè îáîçíà÷åíèå SA0, ñ áàðîì — SB0, ïåðåõîäíûé òèï — SAB0. Îáîçíà÷åíèå S0 îñòàëîñü çà ãàëàêòèêàìè, êîòîðûå íå óäàëîñü êëàññèôèöèðîâàòü áîëåå äåòàëüíî. Óêàçàííûå ñåìåéñòâà ñïèðàëüíûõ è ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèê îáëàäàþò â òîé èëè èíîé ôîðìå ñòðóêòóðîé, êîòîðàÿ ïî Âîêóë¸ðó èìååò
222
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ðèñ. 7.7. Ñõåìà êëàññèôèêàöèè ïî Âîêóë¸ðó (1959). Ýòî ðàñøèðåííàÿ ñõåìà Õàááëà, â êîòîðóþ äîáàâëåíî åùå îäíî, òðåòüå, èçìåðåíèå, ïîçâîëÿþùåå ðàçëè÷àòü s-îáðàçíûå âåòâè è êîëüöà (r — îò ring).
ñïèðàëüíûé èëè êîëüöåîáðàçíûé âèä — ýòî êîëüöî âîêðóã öåíòðà ãàëàêòèêè, îò êîòîðîãî îòõîäÿò ñïèðàëüíûå âåòâè. Êîëüöåîáðàçíûå ðàçíîâèäíîñòè ãàëàêòèê ïîëó÷èëè èíäåêñ r, à ñïèðàëüíûå — s â âèäå ñòðî÷íîé áóêâû â ñêîáêàõ ïîñëå îñíîâíîãî èíäåêñà. Äëÿ ïåðåõîäíûõ ðàçíîâèäíîñòåé áûëî ââåäåíî îáîçíà÷åíèå rs. Íàïðèìåð: SA(s) — ïðîñòàÿ S-îáðàçíàÿ ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà; SB(r) — ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà ñ áàðîì è âíóòðåííèì êîëüöîì. Íàëè÷èå ñëàáîãî áîëüøîãî âíåøíåãî êîëüöà Âîêóë¸ð îòìå÷àë áóêâîé R, ïîìåùåííîé ïåðåä ñèìâîëàìè,
223
7.1. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ
A SA(rs) SA(s)
SAB(s)
SA(r)
SAB(rs)
SAB(r)
r
s
SB(s)
SB(rs)
SB(r)
B Ðèñ. 7.8. Ñå÷åíèå òðåõìåðíîé äèàãðàììû Âîêóë¸ðà íà óðîâíå ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê ñ ïðèìåðàìè èõ âíåøíåãî âèäà (èçîáðàæåíèÿ íåãàòèâíûå).
îáîçíà÷àþùèìè òèï ãàëàêòèêè. ×àùå âñåãî òàêèå ñòðóêòóðû âñòðå÷àþòñÿ ó ãàëàêòèê òèïà S0/a — ýòî ïåðåõîäíûé òèï îò ëèíçîâèäíûõ ê ñïèðàëüíûì. Ñòåïåíü ðàçâèòîñòè ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû, êàê è ó Õàááëà, îáîçíà÷àëàñü ñïðàâà ìàëåíüêèìè áóêâàìè a, b è c ïî ìåðå óìåíüøåíèÿ ïëîòíîñòè çàêðóòêè ðóêàâîâ, ò. å. â ñòîðîíó «ïîçäíèõ» êëàññîâ. Áûë äîáàâëåí è î÷åíü ïîçäíèé êëàññ Sd äëÿ ñïèðàëåé ñ êëî÷êîâàòîé ñòðóêòóðîé è ñëàáî âûðàæåííûì ÿäðîì. Íàïðèìåð, Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû â ýòîé ñèñòåìå îáîçíà÷àåòñÿ êàê SA(s)b. Äëÿ áîëåå òîíêîé ãðàäàöèè áûëè äîáàâëåíû è ïåðåõîäíûå êëàññû Sab, Sbc è Scd. Ïåðåõîäíûé êëàññ ê íåïðàâèëüíûì ãàëàêòèêàì, òàê íàçûâàåìûå ìàãåëëàíîâû
224
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
ñïèðàëè, ïîëó÷èëè îáîçíà÷åíèå Sm: íàïðèìåð, Áîëüøîå Ìàãåëëàíîâî Îáëàêî — SB(s)m. Äëÿ ãàëàêòèê, âèäèìûõ ñ ðåáðà, áûëî ïðåäëîæåíî îáîçíà÷åíèå sp îò àíãë. spindle — âåðåòåíî. Íà ýòîò ñ÷åò â ó÷åáíèêå Á. À. Âîðîíöîâà-Âåëüÿìèíîâà âñòðå÷àåì åäêîå çàìå÷àíèå: «Ãàëàêòèêè, ñìåëî êëàññèôèöèðîâàííûå âî âñåõ ïîäðîáíîñòÿõ, êîãäà îíè ïîâåðíóòû ðåáðîì è èõ ñòðóêòóðà íå âèäíà, ê ñ÷àñòüþ, äîïîëíÿþòñÿ ñèìâîëîì sp». Êëàññèôèêàöèþ íåïðàâèëüíûõ ãàëàêòèê Âîêóë¸ð ðàññìàòðèâàë êàê ïðîäîëæåíèå êëàññèôèêàöèè ñïèðàëåé. Òàê, ãàëàêòèêè, â êîòîðûõ íå óäàëîñü îáíàðóæèòü ñïèðàëüíóþ ñòðóêòóðó, íî êîòîðûå ïî âñåì îñòàëüíûì ïðèçíàêàì ïîõîäèëè íà ìàãåëëàíîâû ñïèðàëè, ïîëó÷èëè îáîçíà÷åíèå I(m), íàïðèìåð Ìàëîå Ìàãåëëàíîâî Îáëàêî.  äîñòàòî÷íî êðóïíûõ ãàëàêòèêàõ êëàññà I(m) óäàåòñÿ îáíàðóæèòü çà÷àòêè (èëè îñòàòêè) áàðà, ÷òî ïîçâîëÿåò ñ÷èòàòü èõ êðàéíèì ñëó÷àåì ãàëàêòèê SB, òîãäà êàê áîëåå ñèììåòðè÷íûå ïðåäñòàâèòåëè êëàññà I(m) ìîæíî ñ÷èòàòü âûðîæäåííûì ñëó÷àåì ãàëàêòèê òèïà SA. Ðàçëè÷èÿ èñ÷åçàþò äëÿ êàðëèêîâûõ ãàëàêòèê íèçêîé ïîâåðõíîñòíîé ÿðêîñòè, êîòîðûå ïîëó÷èëè îáîçíà÷åíèå dI, ïî àíàëîãèè ñ êàðëèêîâûìè ýëëèïòè÷åñêèìè ãàëàêòèêàìè dE. Âîîáùå, ïðåôèêñ «d» áûë çàðåçåðâèðîâàí äëÿ âñåõ êàðëèêîâûõ ãàëàêòèê, íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî êàðëèêîâûõ ñïèðàëüíûõ èëè ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèê â òî âðåìÿ åùå íå áûëî îáíàðóæåíî. Âïðî÷åì, ýòî óæå âûïàäàåò èç êëàññèôèêàöèè ãàëàêòèê ïî èõ âèäó è òðåáóåò çíàíèÿ èõ ñâåòèìîñòè. 7.1.4. Êëàññèôèêàöèÿ ïî âàí äåí Áåðãó (ñèñòåìà DDO) Ýòó ñõåìó ïðåäëîæèë èçâåñòíûé êàíàäñêèé àñòðîíîì Ñèäíè âàí äåí Áåðã (Sidney van den Bergh); åå âòîðîå íàçâàíèå — DDO-êëàññèôèêàöèÿ (îò David Dunlap Observatory). Îíà âêëþ÷àåò â ñåáÿ äâà ïàðàìåòðà — ìîðôîëîãè÷åñêèé òèï è êëàññ ñâåòèìîñòè. Òèï ãàëàêòèêè (E, Sa, Sb, Sc, Ir) óêàçûâàåòñÿ ïðîñòî ïî Õàááëó. Ìåæäó ëèíçîâèäíûìè ãàëàêòèêàìè áåç ñïèðàëüíîãî óçîðà (S0) è ÿðêî âûðàæåííûìè ñïèðàëÿìè, áîãàòûìè ãàçîì (S), ïîÿâèëàñü ïðîìåæóòî÷íàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü «áëåäíûõ ñïèðàëåé» (A, îò anemic spirals). Îáîçíà÷åíèå S(B) ââåäåíî äëÿ îïèñàíèÿ ïðîìåæóòî÷íûõ îáúåêòîâ ìåæäó íîðìàëüíûìè è ïåðåñå÷åííûìè ñïèðàëÿìè. Êëàññ ñâåòèìîñòè (I, II, III, IV, V) àíàëîãè÷åí êëàññèôèêàöèè çâåçä ïî ñâåòèìîñòÿì: I — ñâåðõãèãàíòû, II — ÿðêèå ãèãàíòû, III — ãèãàíòû, IV — ñóáãèãàíòû, V — êàðëèêè. Êëàññó I ñîîòâåòñòâóåò àáñîëþòíàÿ çâ¸çäíàÿ âåëè÷èíà â ôèëüòðå B îêîëî –20,5m (ò. å. 2 · 1010 LA), à êëàññó V — çâ¸çäíàÿ âåëè÷èíà –14m (108 LA).
7.1. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ
225
Ðèñ. 7.9. Äèàãðàììà-«òðåçóáåö» âàí äåí Áåðãà. Ýòî ìîðôîëîãè÷åñêàÿ ÷àñòü åãî êëàññèôèêàöèè, íå ó÷èòûâàþùàÿ êëàññ ñâåòèìîñòè ãàëàêòèêè. Ê òîìó æå äëÿ ñïèðàëüíûõ ñèñòåì çäåñü ïîêàçàíà òîëüêî îäíà ïëîñêîñòü. Íà âòîðîé, ïàðàëëåëüíîé åé ïëîñêîñòè ðàñïîëàãàþòñÿ ñîîòâåòñòâóþùèå ñïèðàëè ñ áàðîì, êàê íà äèàãðàììå Õîäæà (ðèñ. 7.4).
Íå èçâåñòíî íè îäíîé ñïèðàëè òèïîâ Sa èëè Sb, ñâåòèìîñòü êîòîðîé áûëà áû ìåíüøå, ÷åì ó êëàññà III. Çàòî äèàïàçîí ñâåòèìîñòè ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê ÷ðåçâû÷àéíî øèðîê. Ñàì Õàááë, ðàçðàáàòûâàÿ êëàññèôèêàöèþ ãàëàêòèê, èìåë â âèäó òîëüêî ãèãàíòñêèå ýëëèïòè÷åñêèå ñèñòåìû, íî ïîçæå áûëè îòêðûòû è èññëåäîâàíû íåáîëüøèå ãàëàêòèêè ýëëèïñîèäàëüíîé ôîðìû, êàê ïðàâèëî, — ñïóòíèêè ãèãàíòñêèõ. Èõ ïðèíÿòî äåëèòü íà êàðëèêîâûå ýëëèïòè÷åñêèå (dwarf elliptical, dE) è êàðëèêîâûå ñôåðîèäàëüíûå (dwarf spheroidal, dSph) ñèñòåìû. Ïåðâûå, íåñìîòðÿ íà ñâîé ìàëûé ðàçìåð, èìåþò âûñîêóþ ïîâåðõíîñòíóþ ÿðêîñòü, êàê ó íîðìàëüíûõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê; òðàäèöèîííûé ïðèìåð — Ì32, ñïóòíèê Òóìàííîñòè Àíäðîìåäû. À êàðëèêîâûå ñôåðîèäàëüíûå ñèñòåìû — çíà÷èòåëüíî áîëåå áëåäíûå, òàêèå êàê ñèñòåìà â Ñêóëüïòîðå èëè ìíîãèå äðóãèå ñïóòíèêè íàøåé ãàëàêòèêè è Òóìàííîñòè Àíäðîìåäû (ñì. Ïðèëîæåíèå 8). Íåêîòîðûå àâòîðû ñêëîííû ïðè÷èñëÿòü ê ýëëèïòè÷åñêèì ãàëàêòèêàì äàæå äàëåêèå îò öåíòðà Ãàëàêòèêè («ìåæãàëàêòè÷åñêèå») øàðîâûå çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ êàê ïðèìåð ïðåäåëüíî ìàëîìàññèâíûõ ñèñòåì ýòîãî òèïà, òåì áîëåå, ÷òî çâåçäíûé ñîñòàâ øàðîâûõ ñêîïëåíèé ïðàêòè÷åñêè íå îòëè÷àåòñÿ îò ñîñòàâà ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê. 7.1.5. Ðàçâèòèå êëàññèôèêàöèè ãàëàêòèê Ñõåìû êëàññèôèêàöèè ãàëàêòèê ïîñòîÿííî ðàçâèâàþòñÿ â ñâÿçè ñ îñâîåíèåì íîâûõ äèàïàçîíîâ ñïåêòðà è íîâûõ ìåòîäîâ îáðàáîòêè èçîáðàæåíèé. Íàïðèìåð, íà ôîòîãðàôèÿõ ãàëàêòèê â áëèæíåì ÈÊ-äèàïà-
226
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Òàáëèöà 7.3 Ñèñòåìû êëàññèôèêàöèè ãàëàêòèê Ñèñòåìà
Îñíîâíûå êðèòåðèè
Ñèìâîëû
Õàááëà— Ñýíäèäæà
Íàëè÷èå áàðà, ïëîòíîñòü çàêðóò- E, S0, S, SB, Ir êè ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ èëè îòa, b, c íîøåíèå äèñê/áàëäæ, ñòåïåíü âûðàæåííîñòè ñïèðàëåé
Âîêóë¸ðà
Íàëè÷èå áàðà, ïëîòíîñòü çàêðóòêè ñïèðàëåé èëè îòíîøåíèå äèñê/áàð, êîëüöî èëè s-ôîðìà
Ìîðãàíà Ñòåïåíü êîíöåíòðàöèè ÿðêîñòè ê (Éåðêññêàÿ) öåíòðó, öâåò/ñïåêòð, íàëè÷èå áàðà, ñòåïåíü îäíîðîäíîñòè Âàí äåí Áåðãà (DDO)
Ïðèìåðû M87 = E1 M31 = Sb M101 = Sc LMC = Irr I
E, S0, S, SB, I M87 = E1P a, b, c, m M31 = SA(s)b (r), (s) M101 = SAB(rs)sd LMC = SB(s)c k, g, f, a E, R, D, S, B, I
Áîãàòñòâî äèñêà ìîëîäûìè çâåç- E, S0, A, S, Ir B äàìè, íàëè÷èå áàðà, ñòåïåíü êîía, b, c öåíòðàöèè ÿðêîñòè ê öåíòðó, I, … V ôîðìà è äëèíà ñïèðàëåé
M87 = kE1 M31 = kS5 M101 = fS1 LMC = afI2 M87 = E1 M31 = Sb I–II M101 = Sc I LMC = Ir III–IV
çîíå ìåíåå çàìåòíû ïûëåâûå ñòðóêòóðû, ïîëíåå ïðîÿâëÿåòñÿ çâåçäíîå òåëî ãàëàêòèêè. Ïîýòîìó ïðîâåäåííûé ïîä ýãèäîé NASA â 1997–2001 ãã. íàçåìíûé îáçîð âñåãî íåáà â äèàïàçîíå 2 ìêì (Two Micron All-Sky Survey, 2MASS) ïîçâîëèë óçíàòü ìíîãî íîâîãî î ñòðîåíèè öåíòðàëüíîé îáëàñòè íàøåé ãàëàêòèêè (ó íåå îïðåäåëåííî ïðîÿâèëñÿ áàð) è óòî÷íèòü ñõåìû êëàññèôèêàöèè ïðî÷èõ ãàëàêòèê. Åùå áîëåå èíòåðåñíûå ðåçóëüòàòû äàëè èçîáðàæåíèÿ ãàëàêòèê â äàëüíåì ÈÊ-äèàïàçîíå, ïîëó÷åííûå êîñìè÷åñêîé îáñåðâàòîðèåé «Ñïèòöåð» (NASA, 2003–2009 ãã. â õîëîäíîì ðåæèìå). Ê ñîæàëåíèþ, äëèííîâîëíîâûå èíñòðóìåíòû ïîêà íå äàþò äåòàëüíûõ èçîáðàæåíèé äàëåêèõ ãàëàêòèê, íî ñîçäàíèå ìèêðîâîëíîâîãî êîìïëåêñà ALMA èñïðàâèò ïîëîæåíèå. Íå ðåøåíà ïîêà è åùå îäíà íàñóùíàÿ ïðîáëåìà — àâòîìàòè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ ãàëàêòèê.  äîñòóïíîé äëÿ íàáëþäåíèé îáëàñòè Âñåëåííîé ìíîãèå ìèëëèàðäû ãàëàêòèê.  ïîñëåäíèå ãîäû ìàññîâûå îáçîðû íåáà, òàêèå êàê SDSS (Sloan Digital Sky Survey), óæå ïîçâîëèëè ïîëó÷èòü èçîáðàæåíèÿ è ïàðàìåòðû (áëåñê, öâåò, ñïåêòð) ïî÷òè ìèëëèîíà ãàëàêòèê, ïðè÷åì ýòà ðàáîòà âûñîêî àâòîìàòèçèðîâàíà. È òîëüêî ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ îñòàåòñÿ «ðó÷íîé» ðàáîòîé: ïðîãðàììû ðàñïîçíàâàíèÿ ïîêà íå ñïðàâëÿþòñÿ ñ íåé. Ïîýòîìó íà ïîìîùü ïðîôåññèîíàëüíûì àñòðîíîìàì ïðèøëè âîëîíòåðû: áî-
7.1. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ
227
ëåå 250 òûñÿ÷ ëþáèòåëåé àñòðîíîìèè ó÷àñòâóåò â ñåòåâîì ïðîåêòå «Galaxy Zoo» (www.galaxyzoo.org). Êàæäûé æåëàþùèé, îâëàäåâ àçàìè ìîðôîëîãè÷åñêîé êëàññèôèêàöèè, ìîæåò ñêà÷àòü èçîáðàæåíèÿ îáëàñòåé íåáà, ïîëó÷åííûå â õîäå îáçîðà SDSS èëè êîñìè÷åñêèì òåëåñêîïîì «Õàááë», è ñàìîñòîÿòåëüíî çàíÿòüñÿ êëàññèôèêàöèåé îáúåêòîâ. Çàòåì ðåçóëüòàòû ýòîé ðàáîòû îáúåäèíÿþòñÿ, ôèëüòðóþòñÿ, óñðåäíÿþòñÿ è ñòàíîâÿòñÿ ïîëíîöåííûì àñòðîíîìè÷åñêèì ïðîäóêòîì. Ïîëåçíîå äëÿ íàóêè è èíòåðåñíîå äëÿ ó÷àñòíèêîâ ýòîãî ïðîåêòà çàíÿòèå: âåäü âû çàãëÿäûâàåòå â äàëåêèå îáëàñòè Âñåëåííîé, êîòîðûå äî âàñ, âîçìîæíî, íèêòî åùå äåòàëüíî íå ðàññìàòðèâàë. Êòî çíàåò, ÷òî òàì îáíàðóæèòñÿ… Ðàçâèòèå êëàññèôèêàöèè ãàëàêòèê ïðîèñõîäèò íå òîëüêî â ñòîðîíó äåòàëèçàöèè, ó÷èòûâàþùåé âñåâîçìîæíûå âíåøíèå ïðèçíàêè ãàëàêòèê â ðàçíûõ äèàïàçîíàõ ñïåêòðà, íî è â íàïðàâëåíèè ó÷åòà èõ ôèçè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ, ïðåäñòàâëåííîãî ðàçíîé âíóòðåííåé äèíàìèêîé. Ïîðîé ýòî óäàåòñÿ ñäåëàòü, íå óñëîæíÿÿ, à ëèøü ñëåãêà ìîäèôèöèðóÿ êëàññè÷åñêóþ ñõåìó Õàááëà. Íàïðèìåð, Äæîí Êîðìåíäè è Ðàëüô Áåíäåð îáðàòèëè âíèìàíèå, ÷òî ðàçëè÷èå â íàáëþäàåìîé ñòåïåíè ñæàòèÿ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê âäîëü ïîñëåäîâàòåëüíîñòè E0…E6 ïðåæäå âñåãî îáóñëîâëåíî èõ ðàçíûì íàêëîíåíèåì ê ëó÷ó çðåíèÿ, à íå èñòèííîé èõ ôîðìîé (Kormendy, Bender, 1996).  òî æå âðåìÿ ñóùåñòâóåò ôóíäàìåíòàëüíîå ôèçè÷åñêîå ðàçëè÷èå ìåæäó äâóìÿ òèïàìè ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê: ïî ñðàâíåíèþ ñ âïèñàííûì â èõ ôèãóðó ýëëèïñîì (ðèñ. 7.10) ó îäíèõ çàìåòåí èçáûòîê ÿðêîñòè âäîëü áîëüøîé è ìàëîé îñåé, à ó äðóãèõ — âäîëü áèññåêòðèñ ê ýòèì îñÿì. Ïåðâûé òèï èñêàæåíèÿ àâòîðû íàçâàëè «äèñêîîáðàçíûì» (disky), à âòîðîé — «êîðîáêîîáðàçíûì» (boxy). Ýëëèïòè÷åñêèå disky«Disky» ãàëàêòèêè äåìîíñòðèðóþò óìåðåííóþ ñâåòèìîñòü, ñðàâíèòåëüíî áûñòðîå âðàùåíèå, ïðèäàþùåå èì ôîðìó ñïëþñíóòîãî (äâóõîñíîãî) ýëëèïñîèäà, íå îáëàäàþò ÿðêî âûðàæåííûì ÿäðîì, à ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé çâåçä â íèõ áëèçêî ê èçî«Boxy» òðîïíîìó. Ãàëàêòèêè òèïà boxy êðóïíåå, ïî÷òè íå âðàùàþòñÿ; èõ ôîðìà, áëèçêàÿ ê òðåõîñíîìó ýëëèïñîèäó, ñâÿçàíà ñ àíè- Ðèñ. 7.10. Ôîðìû ãàëàêòèê, óñçîòðîïèåé çâåçäíûõ ñêîðîñòåé, à â öåí- ëîâíî íàçâàííûå «disky» è òðå ó íèõ íàáëþäàåòñÿ ÷åòêîå ÿäðî, òàê «boxy», îòëè÷àþòñÿ îò èäåàëüíîãî ýëëèïñà (ïóíêòèð). íàçûâàåìûé êàñï (cusp).
228
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ðèñ. 7.11. Âàðèàíò äèàãðàììû Õàááëà, ïðåäëîæåííûé Êîðìåíäè è Áåíäåðîì äëÿ áîëåå òî÷íîãî ó÷åòà ôîðìû ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê. Äëÿ äåìîíñòðàöèè ðàçëè÷èÿ ìåæäó ñèñòåìàìè òèïà disky è boxy âçÿòû ãàëàêòèêè ñî ñòåïåíüþ ñæàòèÿ îêîëî 0,4. Ðèñóíîê èç ðàáîòû Kormendy, Bender, 1996.
Ïîñëåäîâàòåëüíîñòü òèïîâ Im — Sc — Sb — Sa — S0 ÿâíî ñâÿçàíà ñ ýëëèïòè÷åñêèìè disky-ñèñòåìàìè E(d), òîãäà êàê boxy-ñèñòåìû E(b), ïî-âèäèìîìó, ñòîÿò îñîáíÿêîì è, âîçìîæíî, èìåþò èíîå ïðîèñõîæäåíèå. Íå èñêëþ÷åíî, ÷òî íåïðåðûâíîãî ýâîëþöèîííîãî èëè äàæå ìîðôîëîãè÷åñêîãî ïåðåõîäà ìåæäó ñèñòåìàìè òèïà E(d) è E(b) íå ñóùåñòâóåò, õîòÿ íåêîòîðûå ãàëàêòèêè äåìîíñòðèðóþò ñðàçó îáà òèïà îñîáåííîñòåé — êàê boxy, òàê è disky, ïðè÷åì èíîãäà íà ðàçíûõ ðàññòîÿíèÿõ îò öåíòðà, à èíîãäà äàæå íà îäíîì! Ïîêà íå ÿñíî, ÷òî áû ýòî ìîãëî îçíà÷àòü. Âñåì ýòèì îñîáåííîñòÿì åùå ïðåäñòîèò äàòü ýâîëþöèîííóþ èíòåðïðåòàöèþ. 7.1.6. Îñîáûå òèïû ãàëàêòèê  õîäå êëàññèôèêàöèè â îòäåëüíóþ ãðóïïó âûäåëèëè êàðëèêîâûå ãàëàêòèêè — íåáîëüøèå ïî ðàçìåðó, ñâåòèìîñòü êîòîðûõ â òûñÿ÷è ðàç ìåíüøå, ÷åì ó òàêèõ ãàëàêòèê, êàê íàøà èëè Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû. Ýòî ñàìûé ìíîãî÷èñëåííûé êëàññ ãàëàêòèê, íî èç-çà íèçêîé ñâåòèìîñòè èõ òðóäíî îáíàðóæèòü íà áîëüøîì ðàññòîÿíèè. Ðàçìåð êàðëèêîâ îáû÷íî íå ïðåâîñõîäèò íåñêîëüêèõ êèëîïàðñåêîâ. Ñðåäè íèõ òàêæå âñòðå÷àþòñÿ ýëëèïòè÷åñêèå dE, ñïèðàëüíûå dS (î÷åíü ðåäêî) è íåïðàâèëüíûå dIrr. Áóêâà «d» (îò àíãëèéñêîãî dwarf — êàðëèê) îáîçíà÷àåò ïðèíàäëåæíîñòü ê êàðëèêîâûì ñèñòåìàì. Áûëî òàêæå îáíàðóæåíî äâà òèïà êàðëèêîâ, êîòîðûå ïðàêòè÷åñêè íå èìåþò àíàëîãîâ ñðåäè ãàëàêòèê âûñîêîé ñâåòèìîñòè: êàðëèêîâûå ñôåðîèäàëüíûå ñèñòåìû (dSph) è êàðëèêîâûå ãîëóáûå êîìïàêòíûå ãàëàêòèêè (dBCG). Ïåðâûå ïîõîæè íà øàðîâûå çâåçäíûå ñêîïëå-
7.1. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ
229
íèÿ, óâåëè÷åííûå ïî îáúåìó â òûñÿ÷è ðàç. Òàêèå ãàëàêòèêè — ðåêîðäñìåíû ñðåäè êàðëèêîâ ïî íèçêîé ïîâåðõíîñòíîé ÿðêîñòè, êîòîðàÿ äàæå âî âíóòðåííåé îáëàñòè ãàëàêòèê ÷àñòî áûâàåò çíà÷èòåëüíî íèæå ÿðêîñòè òåìíîãî íî÷íîãî íåáà. Íåñêîëüêî ãàëàêòèê dSph ÿâëÿþòñÿ ñïóòíèêàìè íàøåé çâåçäíîé ñèñòåìû.  îòëè÷èå îò íèõ, ãàëàêòèêè dBCG èìåþò âûñîêóþ ïîâåðõíîñòíóþ ÿðêîñòü ïðè íåáîëüøîì ëèíåéíîì ðàçìåðå, à èõ ãîëóáîé öâåò ñâèäåòåëüñòâóåò îá èíòåíñèâíîì çâåçäîîáðàçîâàíèè. Ýòè îáúåêòû îñîáåííî áîãàòû ãàçîì è ìîëîäûìè çâåçäàìè. Íåñêîëüêî ïðîöåíòîâ íàáëþäàåìûõ ãàëàêòèê íå óêëàäûâàåòñÿ â îïèñàííûå êëàññèôèêàöèîííûå ñõåìû: äëÿ ãàëàêòèê ñ ýêçîòè÷åñêîé âíåøíîñòüþ â ýòèõ ñõåìàõ ïðîñòî íå íàõîäèòñÿ ìåñòà, ïîýòîìó èõ íàçûâàþò ïåêóëÿðíûìè (àíãë. peculiar — îñîáåííûé, íåîáû÷íûé, àíîìàëüíûé). Êàê ïðàâèëî, ýòî ãàëàêòèêè, ôîðìà êîòîðûõ èñêàæåíà ñèëüíûì âçàèìîäåéñòâèåì ñ ñîñåäíèìè ãàëàêòèêàìè (ñì. ñ. 15 öâåòíîé âêëàäêè), èëè æå îáëàäàþùèå íåîáû÷íîé ñòðóêòóðîé — íàïðèìåð, ïîëÿðíûì êîëüöîì, âðàùàþùèìñÿ â ïëîñêîñòè, ïåðïåíäèêóëÿðíîé ïëîñêîñòè çâåçäíîãî äèñêà. Õ. Àðï, Á. À. Âîðîíöîâ-Âåëüÿìèíîâ, Ô. Öâèêêè è äðóãèå èññëåäîâàòåëè ñîñòàâèëè êàòàëîãè îñîáûõ ãàëàêòèê, èìåþùèõ íåñòàíäàðòíóþ, à ïîðîé è íåâåðîÿòíóþ ôîðìó — ñ «õâîñòàìè», «ìîñòàìè», êîëüöàìè è ñòðóÿìè. ×èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå ïîêàçûâàåò, ÷òî ìíîãèå èç ýòèõ ôîðì ìîæíî îáúÿñíèòü òåñíûì ãðàâèòàöèîííûì âçàèìîäåéñòâèåì èëè ïðÿìûì ñòîëêíîâåíèåì äâóõ èëè íåñêîëüêèõ ãàëàêòèê. Äëÿ îáúÿñíåíèÿ íåêîòîðûõ äåòàëåé ïðèõîäèòñÿ ïðèâëåêàòü àêòèâíîñòü ÿäðà ãàëàêòèêè èëè ìîùíûå âñïûøêè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Îñîáî âûäåëÿåòñÿ îáøèðíûé êëàññ ãàëàêòèê, îáëàäàþùèõ çâåçäíî-ãàçîâûì äèñêîì, ïîâåðõíîñòíàÿ ÿðêîñòü êîòîðîãî íà ïîðÿäîê íèæå, ÷åì ó íîðìàëüíûõ ñïèðàëüíûõ èëè ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèê, õîòÿ â ýòèõ «áëåäíûõ» ãàëàêòèêàõ ÷àñòî ïðèñóòñòâóþò ñëàáûå ñïèðàëüíûå âåòâè. Èõ òàê è íàçûâàþò — ãàëàêòèêè íèçêîé ïîâåðõíîñòíîé ÿðêîñòè, èëè LSB-ãàëàêòèêè (Low Surface Brightness galaxies). Ñðåäè LSB-ãàëàêòèê âñòðå÷àþòñÿ êàê êàðëèêîâûå, òàê è ãèãàíòñêèå ñèñòåìû. Ïîèñêè òàêèõ ãàëàêòèê î÷åíü òðóäíû, ïîñêîëüêó èõ ñâå÷åíèå ïî÷òè íå ðàçëè÷èìî íà ôîíå ñâå÷åíèÿ íî÷íîãî íåáà. Òåì íå ìåíåå â ïðèðîäå èõ ìîæåò áûòü î÷åíü ìíîãî. Íàèáîëåå óäèâèòåëüíîé ñèñòåìîé òàêîãî òèïà ÿâëÿåòñÿ îòêðûòàÿ ñàìîé ïåðâîé èç íèõ ãèãàíòñêàÿ LSB-ãàëàêòèêà Malin-1 (íàçâàíà èìåíåì ïåðâîîòêðûâàòåëÿ), îáíàðóæåííàÿ â 1986 ã. â ñîçâåçäèè Âîëîñû Âåðîíèêè. Äèàìåòð åå äèñêà îêîëî 200 êïê, ÷òî íà ïîðÿäîê ïðåâûøàåò õàðàêòåðíûé ðàçìåð êðóïíûõ
230
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ðèñ. 7.12. Ãàëàêòèêà NGC 4650 ñ ïîëÿðíûì êîëüöîì. Çäåñü îíî ðàñïîëàãàåòñÿ â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè. Ôîòî: Hubble Heritage Team (AURA/STScI/NASA).
ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê íîðìàëüíîé ÿðêîñòè, íî ïðè ýòîì ÿðêîñòü äàæå â öåíòðå äèñêà Malin-1 íèæå ÿðêîñòè òåìíîãî íî÷íîãî íåáà. Ìàññà ýòîé ãàëàêòèêè, îïðåäåëåííàÿ ïî âðàùåíèþ åå óâåñèñòîãî ãàçîâîãî ñëîÿ, ñîñòàâëÿåò îêîëî 1012 MA — ýòî íà ïîðÿäîê áîëüøå, ÷åì ó íîðìàëüíûõ ñïèðàëåé. Áîëüøèíñòâî LSB-ãàëàêòèê íå ñòîëü âåëèêè, êàê Malin-1, òåì íå ìåíåå çíà÷åíèÿ èõ ïîëíîé ìàññû èëè ñâåòèìîñòè ëåæàò â òåõ æå ïðåäåëàõ, ÷òî è ó ãàëàêòèê âûñîêîé ïîâåðõíîñòíîé ÿðêîñòè. Ïðîèñõîæäåíèå òàêèõ «áëåäíûõ ãèãàíòîâ» ïîêà òðóäíî ïîíÿòü. ×àùå, ÷åì ãàëàêòèêè äðóãèõ òèïîâ, îíè áûâàþò èçîëèðîâàíû, òî åñòü íå èìåþò áëèçêèõ ñîñåäåé. ×àñòî íàçâàíèåì äëÿ îñîáîãî òèïà ãàëàêòèê ñëóæèò èõ õàðàêòåðíûé ïðèçíàê èëè èìÿ àñòðîíîìà, ñîñòàâèâøåãî èõ êàòàëîã. Òàê, êîìïàêòíûå ãàëàêòèêè Öâèêêè — ýòî ÿðêèå, íî ìàëåíüêèå ñèñòåìû, íà ñíèìêàõ ñ òðóäîì îòëè÷èìûå îò çâåçä. Âåðîÿòíî, íåêîòîðûå èç íèõ èñïûòûâàþò ïåðâóþ â èõ æèçíè âñïûøêó çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Ãàëàêòèêè Ìàðêàðÿíà — ýòî ñèñòåìû ñ ñèëüíûì óëüòðàôèîëåòîâûì èçáûòêîì â ñïåêòðå, âûÿâëåííûå àðìÿíñêèì àñòðîíîìîì Á. Å. Ìàðêàðÿíîì. Ìíîãèå èç ýòèõ ãàëàêòèê èìåþò àêòèâíûå ÿäðà. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê — ýòî íåáîëüøèå îáëàñòè â èõ öåíòðå, ãäå íàáëþäàþòñÿ íåñòàöèîíàðíûå ïðîöåññû, ñîïðîâîæäàþùèåñÿ âûäåëåíèåì áîëüøîãî êîëè÷åñòâà ýíåðãèè. Õàðàêòåðíàÿ ìîùíîñòü âûäåëåíèÿ ýíåðãèè ñîñòàâëÿåò îò 1034–1038 Âò äëÿ ñåéôåðòîâñêèõ ãàëàêòèê äî 1039–1041 Âò äëÿ íàèáîëåå ìîùíûõ êâàçàðîâ. Íàáëþäàåìûå ïðèçíàêè àêòèâíîñòè ÿäðà è ôîðìû âûäåëåíèÿ ýíåðãèè â ÿäðå ìîãóò áûòü ðàçëè÷íûìè. Íàèáîëåå ÷àñòî âñòðå÷àþòñÿ ñëåäóþùèå ïðîÿâëåíèÿ àêòèâíîñòè:
7.1. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ
231
Ðèñ. 7.13. Âçàèìîäåéñòâóþùèå ãàëàêòèêè «Àíòåííû» (NGC 4038-9). Ñïðàâà: ôîòî, ïîëó÷åííîå êîñìè÷åñêèì òåëåñêîïîì «Õàááë», äåìîíñòðèðóåò àêòèâíîå çâåçäîîáðàçîâàíèå â öåíòðàëüíûõ ÷àñòÿõ ñòîëêíóâøèõñÿ ãàëàêòèê.
— áûñòðîå äâèæåíèå ãàçà, ñî ñêîðîñòÿìè â òûñÿ÷è êèëîìåòðîâ â ñåêóíäó, ïðèâîäÿùåå ê ñèëüíîìó óøèðåíèþ ëèíèé èçëó÷åíèÿ â ñïåêòðå ÿäðà âñëåäñòâèå ýôôåêòà Äîïëåðà; — íåòåïëîâîå èçëó÷åíèå áîëüøîé ìîùíîñòè â êîðîòêîâîëíîâûõ (îïòè÷åñêîé, óëüòðàôèîëåòîâîé è ðåíòãåíîâñêîé) îáëàñòÿõ ñïåêòðà. Èçó÷åíèå îáû÷íî èìååò ïåðåìåííûé õàðàêòåð áåç ÷åòêî âûðàæåííîãî ïåðèîäà; õàðàêòåðíîå âðåìÿ çàìåòíîãî èçìåíåíèÿ ñâåòèìîñòè ñîñòàâëÿåò îò íåñêîëüêèõ äíåé èëè äàæå ÷àñîâ äî íåñêîëüêèõ ëåò; — ìîùíîå èçëó÷åíèå â äàëåêîé èíôðàêðàñíîé îáëàñòè ñïåêòðà (äëèíà âîëíû — äåñÿòêè è ñîòíè ìèêðîìåòðîâ), âåðîÿòíî, ñâÿçàííîå ñ íàãðåòîé ìåæçâåçäíîé ïûëüþ, íàõîäÿùåéñÿ â ÿäðå; — âûáðîñû ñòðóé (äæåòîâ) ãàçà èëè ýíåðãè÷íûõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö èç ÿäðà; — âûñîêàÿ ìîùíîñòü ðàäèîèçëó÷åíèÿ, ñâÿçàííîãî ñ âûáðîñîì ýíåðãè÷íûõ ýëåêòðîíîâ èç ÿäðà. Ïî õàðàêòåðíûì ïðîÿâëåíèÿì àêòèâíîñòè ÿäåð ýòè çâåçäíûå ñèñòåìû ïðèíÿòî ðàçäåëÿòü íà ñåéôåðòîâñêèå ãàëàêòèêè, ðàäèîãàëàêòèêè, êâàçàðû è ëàöåðòèäû.
232
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ñåéôåðòîâñêèå ãàëàêòèêè — ýòî ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè, â êîòîðûõ àêòèâíîå ÿäðî íàáëþäàåòñÿ êàê çâåçäîïîäîáíûé ïåðåìåííûé ïî ÿðêîñòè îáúåêò â öåíòðå ãàëàêòèêè.  ñïåêòðå ÿäðà íàáëþäàþòñÿ ÿðêèå è øèðîêèå ýìèññèîííûå ëèíèè. Òàêèå ãàëàêòèêè îáíàðóæèë â 1940-å ãã. àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì Êàðë Ñåéôåðò. Îíè ÿâëÿþòñÿ íàèáîëåå ìíîãî÷èñëåííûìè ãàëàêòèêàìè ñ àêòèâíûìè ÿäðàìè. Ðàäèîãàëàêòèêè — ýòî çâåçäíûå ñèñòåìû, äåìîíñòðèðóþùèå èíòåíñèâíîå ðàäèîèçëó÷åíèå, â òûñÿ÷è è áîëåå ðàç ïðåâîñõîäÿùåå ïî ìîùíîñòè ðàäèîèçëó÷åíèå íîðìàëüíûõ ãàëàêòèê. Èõ ðàäèîèçëó÷åíèå èìååò ñèíõðîòðîííóþ ïðèðîäó è ñâÿçàíî ñ âûáðîñîì ïîòîêîâ ðåëÿòèâèñòñêèõ ýëåêòðîíîâ èç àêòèâíîãî ÿäðà. Âñòðå÷àþòñÿ ïî÷òè èñêëþ÷èòåëüíî ñðåäè ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê. Êâàçàðû ïî íàáëþäàåìûì îñîáåííîñòÿì ïîõîæè íà ÿäðà ñåéôåðòîâñêèõ ãàëàêòèê, íî ïðåâîñõîäÿò èõ ïî ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ.  áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ÿðêîñòü êâàçàðà ïðåâûøàåò ñîâîêóïíóþ ÿðêîñòü âñåõ çâåçä «ðîäèòåëüñêîé» ãàëàêòèêè, â êîòîðîé îí íàõîäèòñÿ. Ëàöåðòèäû âûãëÿäÿò êàê ïåðåìåííûå çâåçäû ñ êðàéíå ñëàáûìè ñïåêòðàëüíûìè ëèíèÿìè è ÷àñòè÷íî ïîëÿðèçîâàííûì èçëó÷åíèåì. Îíè îêàçàëèñü ðåäêî âñòðå÷àþùèìñÿ òèïîì àêòèâíûõ ÿäåð â ãèãàíòñêèõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèêàõ. Ãàëàêòèêè ñ àêòèâíûìè ÿäðàìè äîâîëüíî øèðîêî ðàñïðîñòðàíåíû è ñîñòàâëÿþò íåñêîëüêî ïðîöåíòîâ îò âñåõ ãàëàêòèê âûñîêîé ñâåòèìîñòè. Âåðîÿòíî, îñíîâíûì èñòî÷íèêîì èõ ýíåðãèè ñëóæèò ïàäåíèå ãàçà â ãðàâèòàöèîííîì ïîëå ñâåðõìàññèâíûõ ÷åðíûõ äûð, êîòîðûå ÷àñòî îáíàðóæèâàþòñÿ â ÿäðàõ ãàëàêòèê. Àêòèâíîñòü ÿäåð ãàëàêòèê, ïî-âèäèìîìó, ìåíÿåòñÿ íà áîëüøèõ èíòåðâàëàõ âðåìåíè è ÷àñòî ñîïðîâîæäàåòñÿ ðåçêèì óñèëåíèåì ïðîöåññà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â îêðåñòíîñòè ÿäðà ãàëàêòèêè. Áëèæàéøàÿ ê íàì ãàëàêòèêà ñ àêòèâíûì ÿäðîì — NGC 1068 (ñåéôåðòîâñêàÿ ãàëàêòèêà). Ðàçëè÷èå ìåæäó ãàëàêòèêàìè ðàçíûõ òèïîâ îáúÿñíÿåòñÿ êàê ðàçëè÷íûìè óñëîâèÿìè ôîðìèðîâàíèÿ, òàê è ýâîëþöèîííûìè èçìåíåíèÿìè, ïðîèçîøåäøèìè çà ìèëëèàðäû ëåò èõ æèçíè.
7.2. Îöåíêà ðàññòîÿíèé äî ãàëàêòèê Ìíîãèå õàðàêòåðèñòèêè ãàëàêòèê, òàêèå êàê ñâåòèìîñòü, ëèíåéíûé ðàçìåð, ìàññà ãàçà è çâåçä, ïåðèîä âðàùåíèÿ, íåâîçìîæíî îöåíèòü, åñëè íå èçâåñòíî ðàññòîÿíèå äî íèõ. Íå ñóùåñòâóåò óíèâåðñàëüíîãî ìåòîäà îïðåäåëåíèÿ ðàññòîÿíèé äî ãàëàêòèê. Îäíè ñïîñîáû èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ñðàâíèòåëüíî áëèçêèõ, äðóãèå — äëÿ î÷åíü äàëåêèõ îáúåêòîâ.
7.2. Îöåíêà ðàññòîÿíèé äî ãàëàêòèê
233
Íàèáîëåå ðàçíîîáðàçíû ìåòîäû îöåíêè ðàññòîÿíèé äî áëèçêèõ ãàëàêòèê, â êîòîðûõ ìîæíî íàáëþäàòü è èññëåäîâàòü îòäåëüíûå ÿðêèå îáúåêòû.  êà÷åñòâå òàêèõ îáúåêòîâ îáû÷íî èñïîëüçóþòñÿ çâåçäû, îáëàäàþùèå âûñîêîé ñâåòèìîñòüþ: öåôåèäû, ÿð÷àéøèå ñâåðõãèãàíòû èëè ãèãàíòû (èõ ëåãêî ðàçëè÷èòü ïî öâåòó), íî ÷àñòî ïðèâëåêàþòñÿ è äðóãèå îáðàçîâàíèÿ: çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ, ïëàíåòàðíûå òóìàííîñòè, à òàêæå íîâûå çâåçäû â ìàêñèìóìå èõ áëåñêà. Õàðàêòåðèñòèêè ýòèõ îáúåêòîâ ñ÷èòàþòñÿ èçâåñòíûìè, íàïðèìåð, ïî àíàëîãèè ñ ïîäîáíûìè îáúåêòàìè íàøåé ãàëàêòèêè. Ñàìûé òî÷íûé ìåòîä ñâÿçàí ñ èñïîëüçîâàíèåì öåôåèä, ïîñêîëüêó ñâåòèìîñòè ýòèõ çâåçä ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû ïî õîðîøî óñòàíîâëåííîé çàâèñèìîñòè «ïåðèîä—ñâåòèìîñòü». Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ðàññòîÿíèé ïðîâîäÿò ôîòîìåòðè÷åñêèå èçìåðåíèÿ âèäèìûõ çâåçäíûõ âåëè÷èí (âèäèìîãî áëåñêà) îáúåêòîâ â òåõ èëè èíûõ ãàëàêòèêàõ. Çàòåì ïîëó÷åííûå çíà÷åíèÿ ñîïîñòàâëÿþòñÿ ñî ñâåòèìîñòüþ âûáðàííûõ îáúåêòîâ, ò. å. èõ àáñîëþòíîé çâåçäíîé âåëè÷èíîé (ñì. ðàçäåë 6.2.2); ïðè ýòîì îáÿçàòåëüíî ââîäèòñÿ ïîïðàâêà íà ìåæçâåçäíîå ïîãëîùåíèå ñâåòà.  èòîãå ýòî ïîçâîëÿåò îöåíèòü, íàñêîëüêî äàëåêî îò íàñ íàõîäèòñÿ ãàëàêòèêà. Åñëè m — âèäèìàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà îáúåêòà, èñïðàâëåííàÿ çà ìåæçâåçäíîå ïîãëîùåíèå, à Ì — åãî èçâåñòíàÿ àáñîëþòíàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà, òî ëîãàðèôì ðàññòîÿíèÿ D äî ýòîãî îáúåêòà, âûðàæåííîãî â ìåãàïàðñåêàõ, îïðåäåëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå: lg D = 0,2(m – M) – 5.
Äëÿ ïåðåâîäà ðàññòîÿíèÿ â ìèëëèîíû ñâåòîâûõ ëåò åãî çíà÷åíèå â ìåãàïàðñåêàõ íàäî óìíîæèòü íà 3,26. Ýôôåêòèâíûì îêàçàëñÿ è ìåòîä îïðåäåëåíèÿ ðàññòîÿíèé íå ïî îòäåëüíûì îáúåêòàì, à ïî ïàðàìåòðàì ìåëêîé ðÿáè (ôëóêòóàöèé ïîâåðõíîñòíîé ÿðêîñòè) íà âèäèìîì èçîáðàæåíèè ãàëàêòèê, êîòîðàÿ îáóñëîâëåíà çâåçäàìè, íå ðàçðåøàåìûìè ïî îòäåëüíîñòè. Íî âñå ýòè ìåòîäû äîñòàòî÷íî ãðóáû è â ïðèìåíåíèè ê èíäèâèäóàëüíûì ãàëàêòèêàì ìîãóò äàâàòü áîëüøóþ îøèáêó. ßð÷àéøèå çâåçäû, ïðèãîäíûå äëÿ îöåíêè ðàññòîÿíèé, äàæå ñ ïîìîùüþ êðóïíåéøèõ òåëåñêîïîâ íàáëþäàþòñÿ â ãàëàêòèêàõ, óäàëåííûõ íå áîëåå ÷åì íà íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ìèëëèîíîâ ñâåòîâûõ ëåò (øàðîâûå ñêîïëåíèÿ — íåñêîëüêî äàëüøå). Èñêëþ÷åíèå ñîñòàâëÿþò ñâåðõíîâûå çâåçäû: èõ ìîæíî çàïå÷àòëåòü íà ëþáûõ ðàññòîÿíèÿõ, ñ êîòîðûõ âèäíû ãàëàêòèêè. Íî õîòÿ ñâåðõíîâûå èñïîëüçóþò äëÿ îöåíêè ýêñòðåìàëüíî áîëüøèõ ðàññòîÿíèé, â êàæäîé èç ãàëàêòèê îíè âñïûõèâàþò ðåäêî è íåîæèäàííî. Ïîýòîìó äëÿ ìàññîâîãî èçìåðåíèÿ
234
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
ðàññòîÿíèé äî áîëåå äàëåêèõ ãàëàêòèê ðàçðàáîòàíû äðóãèå ïîäõîäû. Íàïðèìåð, ïðåäïîëàãàþò, ÷òî çàðàíåå èçâåñòíà ñâåòèìîñòü èëè ëèíåéíûé ðàçìåð ãàëàêòèê îïðåäåëåííîãî òèïà (ýòî î÷åíü ãðóáûé ìåòîä). Áîëåå òî÷íûå îöåíêè îïèðàþòñÿ íà ñòàòèñòè÷åñêè óñòàíîâëåííûå çàâèñèìîñòè, ñâÿçûâàþùèå ñâåòèìîñòü ãàëàêòèê ñ êàêîé-ëèáî íåïîñðåäñòâåííî èçìåðÿåìîé âåëè÷èíîé, õàðàêòåðèçóþùåé ãàëàêòèêó: ñêîðîñòüþ âðàùåíèÿ, øèðèíîé ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé, ïðèíàäëåæàùèõ çâåçäàì, èëè ëèíèé èçëó÷åíèÿ ìåæçâåçäíîãî ãàçà â ðàäèîäèàïàçîíå. Íî ÷àùå âñåãî ðàññòîÿíèå äî äàëåêèõ ãàëàêòèê îïðåäåëÿþò ïî çàâèñèìîñòè Õàááëà «êðàñíîå ñìåùåíèå ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé — ðàññòîÿíèå». Ýòîò ìåòîä — ìåòîä êðàñíîãî ñìåùåíèÿ— îñíîâàí íà èçìåðåíèè ñäâèãà ëèíèé â ñïåêòðå ãàëàêòèêè, îáóñëîâëåííîãî ðàñøèðåíèåì Âñåëåííîé. Îòêðûòàÿ ýìïèðè÷åñêè, çàâèñèìîñòü Õàááëà ïîëó÷èëà íàäåæíîå îáîñíîâàíèå â òåîðèè ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé. Îäíàêî äëÿ êàëèáðîâêè ýìïèðè÷åñêèõ çàâèñèìîñòåé âñå ðàâíî òðåáóþòñÿ ñðàâíèòåëüíî áëèçêèå ãàëàêòèêè, äëÿ êîòîðûõ ðàññòîÿíèÿ íàõîäÿò ïî èíäèâèäóàëüíûì îáúåêòàì. Ïîýòîìó îïðåäåëèòü, âî ñêîëüêî ðàç îäíà ãàëàêòèêà äàëüøå äðóãîé, ìîæíî çíà÷èòåëüíî òî÷íåå, ÷åì îöåíèòü ðàññòîÿíèå äî êàæäîé èç íèõ.  öåëîì òî÷íîñòü îöåíêè ðàññòîÿíèé íå ïðåâûøàåò 10–15%, à â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ îíà çíà÷èòåëüíî íèæå.
7.3. Ñîñòàâ ãàëàêòèê Îïèñàííàÿ â ðàçäåëå 7.1 ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ ãàëàêòèê îïèðàåòñÿ íà èõ âíåøíèé âèä â îïòè÷åñêîì äèàïàçîíå ñïåêòðà, ïðåèìóùåñòâà êîòîðîãî îïðåäåëÿþòñÿ ëèøü îñîáåííîñòÿìè íàøåãî çðåíèÿ, îáóñëîâëåííûìè, â ñâîþ î÷åðåäü, ïðîçðà÷íîñòüþ çåìíîé àòìîñôåðû äëÿ ýòîãî âèäà ëó÷åé. Ãàëàêòèêè «îñîáîãî» òèïà, íå ïîïàâøèå â îáùóþ êëàññèôèêàöèþ, êàê ïðàâèëî, ïðîÿâëÿþò ñâîè îñîáåííîñòè â äðóãèõ äèàïàçîíàõ ñïåêòðà. Íî íåðåäêî è «íîðìàëüíûå» ãàëàêòèêè ñóùåñòâåííî ìåíÿþò ñâîé âíåøíèé âèä ïðè èõ íàáëþäåíèè â íåîïòè÷åñêèõ ëó÷àõ: óåäèíåííûå ãàëàêòèêè ñòàíîâÿòñÿ âçàèìîäåéñòâóþùèìè, à ñïîêîéíûå — àêòèâíûìè. Ïðèìåð ïåðâîãî ðîäà ìû âèäèì â íåáîëüøîé ñîñåäíåé ãðóïïå ãàëàêòèê, êðóïíåéøàÿ ñðåäè êîòîðûõ — ñïèðàëü Ì81 (ðèñ. 7.14 è 7.15). Íåâäàëåêå îò íåå åùå äâå: íåïðàâèëüíàÿ ãàëàêòèêà M82 ïî ïðîçâèùó Ñèãàðà è ìàëåíüêàÿ NGC 3077 íåïîíÿòíîãî òèïà. Íà ïåðâûé âçãëÿä, êàæäàÿ èç íèõ æèâåò ñâîåé ñïîêîéíîé æèçíüþ. Íî íàáëþäåíèÿ â óëüòðàôèîëåòîâîì äèàïàçîíå ïîêàçûâàþò, ÷òî â Ì82 ïðîèñõîäèò ìîùíàÿ âñïûøêà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ñ âûáðîñîì áîëüøèõ ìàññ ãîðÿ÷åãî ãàçà,
7.3. Ñîñòàâ ãàëàêòèê
235
Ðèñ. 7.14. Ãðóïïà Ìåññüå 81. Ïàðà ãàëàêòèê M81 (âíèçó) è M82 âûãëÿäèò ñîâåðøåííî ïî-ðàçíîìó â îïòè÷åñêèõ (ñëåâà) è óëüòðàôèîëåòîâûõ ëó÷àõ. Èçîáðàæåíèå â ÓÔ: GALEX (NASA).
Ðèñ. 7.15. Ãðóïïà Ìåññüå 81. Åùå áîëüøåå ðàçëè÷èå ìû âèäèì ìåæäó îïòè÷åñêèì (ñëåâà) è ðàäèî (21 ñì) èçîáðàæåíèÿìè ãàëàêòèê Ì81, Ì82 è èõ ìàëåíüêîãî ñîñåäà NGC 3077. Ðàäèîèçîáðàæåíèå: VLA (NRAO).
236
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ðèñ. 7.16. Êàðòà âñåãî íåáà â ãàììà-äèàïàçîíå (30 Ìý — 300 ÃýÂ) ïî äàííûì ñïóòíèêà «Ôåðìè» (NASA), ïîçâîëèâøàÿ îáíàðóæèòü äâà ãîðÿ÷èõ «ïóçûðÿ», ñèììåòðè÷íî ðàñïîëîæåííûõ íàä öåíòðàëüíîé îáëàñòüþ Ãàëàêòèêè. Ââåðõó — êàðòà, ïîñòðîåííàÿ â 2010 ã. ïîä ðóêîâîäñòâîì D. Finkbeiner (HarvardSmithsonian Center for Astrophysics); âíèçó — õóäîæåñòâåííîå ïðåäñòàâëåíèå î «ïóçûðÿõ».
çà ÷òî ýòó ãàëàêòèêó íåðåäêî íàçûâàþò âçðûâàþùåéñÿ. À ó NGC 3077 àêòèâíîå ÿäðî, çà ÷òî â 1943 ã. Êàðë Ñåéôåðò âêëþ÷èë åå â ñâîé ñïèñîê. Ìåæäó ýòèìè äâóìÿ ãîðÿ÷èìè ìàëûøêàìè ðàñïîëîæèëàñü èäåàëüíàÿ ñïèðàëü Ì81, êîòîðàÿ, êàçàëîñü áû, òóò ñîâåðøåííî íè ïðè ÷åì. Íî ðàäèîíàáëþäåíèÿ íà âîëíå àòîìàðíîãî âîäîðîäà (21 ñì) ïîêàçûâàþò, ÷òî âñå òðè ãàëàêòèêè çàêëþ÷åíû â îáùóþ ãàçîâóþ îáîëî÷êó è, êàê âèäíî, îáìåíèâàþòñÿ âåùåñòâîì, êîòîðîå è ñëóæèò èñòî÷íè-
7.3. Ñîñòàâ ãàëàêòèê
237
Ðèñ. 7.17. Ãàììà-ïóçûðè íàä ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòüþ, ñîãëàñíî îäíîìó èç ïðåäïîëîæåíèé, ìîãëè áûòü ðàçäóòû ìîùíûìè äæåòàìè, ñôîðìèðîâàâøèìèñÿ â îêðåñòíîñòè ñâåðõìàññèâíîé ÷åðíîé äûðû â öåíòðå Ãàëàêòèêè.
êîì àêòèâíîñòè. Ïîñòàâùèêîì ãàçà, âåðîÿòíî, ÿâëÿåòñÿ êðóïíàÿ Ì81, à ñîñåäíèå ñ íåé NGC 3077 è Ì82 ïåðåðàáàòûâàþò ýòîò ãàç â çâåçäû. Íå ìåíåå ýôôåêòíûé ïðèìåð èçìåíåíèÿ âíåøíîñòè äåìîíñòðèðóåò è íàøà ãàëàêòèêà. Åå ïðèâû÷íûé äëÿ îïòè÷åñêîãî íàáëþäàòåëÿ âèä — Ìëå÷íûé Ïóòü — ìåíÿåòñÿ äî íåóçíàâàåìîñòè, åñëè «ïîñìîòðåòü» íà íåáî â æåñòêîì ãàììà-äèàïàçîíå. Òàêóþ âîçìîæíîñòü äàåò íàì êîñìè÷åñêàÿ ãàììà-îáñåðâàòîðèÿ «Ôåðìè» (NASA). Íà ñîçäàííîì ïî åå äàííûì èçîáðàæåíèè (ðèñ. 7.16) ìû âèäèì äâå ãèãàíòñêèå ñòðóêòóðû, âçäûìàþùèåñÿ ïî÷òè íà 8 êïê íàä ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòüþ ê ñåâåðó è þãó îò íåå. Èñòèííàÿ ïðè÷èíà ïîÿâëåíèÿ «ãàììà-ïóçûðåé» ïîêà íå ÿñíà. Ýòî ìîæåò áûòü ïîñëåäñòâèåì ìîùíîé âñïûøêè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ èëè æå ðåçóëüòàòîì àêòèâíîñòè ÷åðíîé äûðû â öåíòðå Ãàëàêòèêè (ðèñ. 7.17). Ýòè ïðèìåðû ãîâîðÿò î òîì, ÷òî íàñåëåíèå ãàëàêòèê î÷åíü ðàçíîîáðàçíî, à äèàïàçîí ôèçè÷åñêèõ óñëîâèé â ïðåäåëàõ êàæäîé èç íèõ íåâåðîÿòíî øèðîê.  íèõ åñòü âåùåñòâî ñ òåìïåðàòóðîé âñåãî íåñêîëüêî êåëüâèíîâ è åñòü íàãðåòîå äî ñîòíè ìèëëèîíîâ êåëüâèíîâ; åñòü âåùåñòâî ñ ïëîòíîñòüþ 10–26 ã/ñì3 è ñ ïëîòíîñòüþ 1015 ã/ñì3. Êà-
238
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
êóþ âåëè÷èíó íè âîçüìè, äèàïàçîí åå çíà÷åíèé â ãàëàêòèêå ïîòðÿñàåò. Âçÿòü õîòÿ áû ìàãíèòíîå ïîëå: â ìåæçâåçäíîì ïðîñòðàíñòâå åãî èíäóêöèÿ îêîëî 10–10 Òë (1 òåñëà = 104 Ãñ), ó ïîâåðõíîñòè Çåìëè — îêîëî 5 · 10–5 Òë, à ó ïîâåðõíîñòè íåéòðîííûõ çâåçä-ìàãíèòàðîâ — ïî÷òè 1010 Òë. Âäóìàéòåñü òîëüêî: íåâèäèìîå ïîëå ñ èíäóêöèåé 1010 Òë èìååò ïëîòíîñòü ìàññû (E/c2) ïî÷òè ïîëòîííû â êóáè÷åñêîì ñàíòèìåòðå! Äàëåå ÷èòàòåëü ñàì ìîæåò ïîóïðàæíÿòüñÿ â àñòðîôèçèêå, îöåíèâàÿ äèàïàçîí ðàçëè÷íûõ õàðàêòåðèñòèê òèïè÷íîé ãàëàêòèêè: ïëîòíîñòü èçëó÷åíèÿ, ðàçìåð ìîëåêóë, ñîäåðæàíèå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ è ò. ï. Ýòî äàñò õîðîøåå ïðåäñòàâëåíèå î ðàçíîîáðàçèè ñâîéñòâ, ñëîæíîñòè ñòðóêòóðû è íåïðîñòîì õàðàêòåðå âçàèìîäåéñòâèÿ ðàçëè÷íûõ êîìïîíåíòîâ ãàëàêòèêè. Çäåñü ìû êðàòêî îõàðàêòåðèçóåì âàæíåéøèå èç íèõ. 7.3.1. Çâåçäû Ãàëàêòèêè — ýòî ïðåæäå âñåãî çâåçäíûå ñèñòåìû; èìåííî ñî çâåçäàìè ñâÿçàíî èõ îïòè÷åñêîå èçëó÷åíèå. Ïðîñòðàíñòâåííî çâåçäû îáðàçóþò äâà îñíîâíûõ ñòðóêòóðíûõ êîìïîíåíòà ãàëàêòèêè, êàê áû âëîæåííûõ îäèí â äðóãîé: áûñòðî âðàùàþùèéñÿ çâåçäíûé äèñê, òîëùèíà êîòîðîãî îáû÷íî ñîñòàâëÿåò 300–600 ïê, è ìåäëåííî âðàùàþùóþñÿ ñôåðè÷åñêóþ (èëè ñôåðîèäàëüíóþ) ñîñòàâëÿþùóþ, ÿðêîñòü êîòîðîé êîíöåíòðèðóåòñÿ íå ê ïëîñêîñòè äèñêà, à ê öåíòðó ãàëàêòèêè. Âíóòðåííÿÿ, íàèáîëåå ÿðêàÿ ÷àñòü ñôåðîèäàëüíîãî êîìïîíåíòà — áàëäæ, à âíåøíÿÿ ÷àñòü íèçêîé ÿðêîñòè — çâåçäíîå ãàëî.  öåíòðàëüíîé ÷àñòè ìàññèâíûõ ãàëàêòèê ÷àñòî âûäåëÿåòñÿ íåáîëüøîé è áûñòðî âðàùàþùèéñÿ îêîëîÿäåðíûé äèñê ðàçìåðîì íåñêîëüêî ñîòåí ïàðñåêîâ, êîòîðûé òàêæå ñîñòîèò èç çâåçä è ãàçà. Òàêàÿ ñòðóêòóðíîñòü ãàëàêòèê îòðàæàåò ñëîæíûé ìíîãîñòóïåí÷àòûé õàðàêòåð èõ ôîðìèðîâàíèÿ. Åñòü ãàëàêòèêè, â êîòîðûõ íàáëþäàåòñÿ òîëüêî îäèí èç äâóõ îñíîâíûõ êîìïîíåíòîâ: äèñê èëè ñôåðîèä. Çâåçäû ðàçëè÷àþòñÿ ïî ìàññå, âîçðàñòó è õèìè÷åñêîìó ñîñòàâó.  ïðåäåëàõ Ìåñòíîé ãðóïïû ãàëàêòèê, ãäå åñòü âîçìîæíîñòü äåòàëüíî èçó÷àòü îòäåëüíûå çâåçäû, îáíàðóæèâàþòñÿ çâåçäû âñåâîçìîæíûõ ìàññ â äèàïàçîíå îò 0,08 MA äî 250 MA. Ìåíåå ìàññèâíûå çâåçäîîáðàçíûå îáúåêòû òàêæå ïðèñóòñòâóþò, íî ïîñêîëüêó òåìïåðàòóðà â èõ ÿäðàõ íå äîñòèãàåò òîé, ÷òî íåîáõîäèìà äëÿ ïðîòåêàíèÿ òåðìîÿäåðíûõ ðåàêöèé ñ ó÷àñòèåì âîäîðîäà (pp-ðåàêöèé), òàêèå îáúåêòû ñ ìàññàìè 0,08–0,013 MA íàçûâàþò êîðè÷íåâûìè êàðëèêàìè (brown dwarf).  ãàëàêòèêàõ â áîëüøîì êîëè÷åñòâå åñòü è ìåíåå ìàññèâíûå îáúåêòû — ïëàíåòû; â èõ íåäðàõ íå ïðîèñõîäèò íèêàêèõ òåðìîÿäåðíûõ ðåàêöèé
7.3. Ñîñòàâ ãàëàêòèê
239
äàæå ñ ó÷àñòèåì «ëåãêî ãîðÿùèõ» ýëåìåíòîâ, òàêèõ êàê ëèòèé è èçîòîï âîäîðîäà — äåéòåðèé. Íî â æèçíè ãàëàêòèêè — â åå äèíàìèêå, èçëó÷åíèè, ýâîëþöèè — ïëàíåòû è åùå ìåíåå ìàññèâíûå òåëà òèïà àñòåðîèäîâ è êîìåò ñêîëüêî-íèáóäü çàìåòíîé ðîëè íå èãðàþò.  êàæäîé ãàëàêòèêå ìîãóò íàõîäèòüñÿ çâåçäû ñ ðàçëè÷íûìè õàðàêòåðèñòèêàìè: ìàññèâíûå è ìàëîìàññèâíûå, ìîëîäûå è ñòàðûå. Ïðîöåíò äàâíî îáðàçîâàâøèõñÿ (ñòàðûõ) çâåçä ñ âîçðàñòîì â ìèëëèàðäû ëåò è çâåçä, êîòîðûå ìîæíî óñëîâíî íàçâàòü ìîëîäûìè (ñ âîçðàñòîì ìåíåå 100 ìëí ëåò) ñèëüíî ìåíÿåòñÿ îò îäíîé ãàëàêòèêè ê äðóãîé. Ñòàðûå çâåçäû ïðèñóòñòâóþò â ãàëàêòèêàõ âñåõ òèïîâ, íî îòíîñèòåëüíîå êîëè÷åñòâî ìîëîäûõ çâåçä â ñðåäíåì ðàñòåò âäîëü ìîðôîëîãè÷åñêîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ãàëàêòèê — îò E ê Irr.  Å-ãàëàêòèêàõ, çà ðåä÷àéøèìè èñêëþ÷åíèÿìè, ìîëîäûå çâåçäû ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóþò. Ñïåêòð è öâåò ãàëàêòèê ýòîãî òèïà ñâèäåòåëüñòâóåò î òîì, ÷òî îíè â îñíîâíîì ñîñòîÿò èç çâåçä, âîçíèêøèõ áîëåå 10 ìëðä ëåò íàçàä. Ñàìûå ÿðêèå çâåçäû Å-ãàëàêòèê — êðàñíûå ãèãàíòû.  ñïèðàëüíûõ è íåïðàâèëüíûõ ãàëàêòèêàõ åñòü è ñòàðûå, è ìîëîäûå çâåçäû. Ñàìûå ÿðêèå èç íèõ — ãîëóáûå ñâåðõãèãàíòû, âîçðàñò êîòîðûõ íå ïðåâûøàåò íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ ìèëëèîíîâ ëåò. Íàèáîëüøåå êîëè÷åñòâî ìîëîäûõ çâåçä íàáëþäàåòñÿ â íåêîòîðûõ ðåäêî âñòðå÷àþùèõñÿ ãàëàêòèêàõ ñî âñïûøêîé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Êàê ïðàâèëî, îíè îòíîñÿòñÿ ê òèïàì Irr èëè dBCG, íî èìè ìîãóò áûòü è S-ãàëàêòèêè. Ìîëîäûå ìàññèâíûå çâåçäû ïðèäàþò ýòèì ñèñòåìàì ãîëóáîâàòûé öâåò. Ïðèìåðîì ñðàâíèòåëüíî áëèçêîé ê íàì ñïèðàëüíîé ãàëàêòèêè ñî âñïûøêîé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ñëóæèò NGC 253, óäàëåííàÿ íà (3,5±0,2) Ìïê â íàïðàâëåíèè ñîçâåçäèÿ Ñêóëüïòîð. Ýòà ãàëàêòèêà, îòêðûòàÿ â 1783 ã. Êàðîëèíîé Ãåðøåëü, ÿâëÿåòñÿ êðóïíåéøèì ÷ëåíîì íåáîëüøîé ãðóïïû ãàëàêòèê â Ñêóëüïòîðå, îäíîé èç áëèæàéøèõ ê íàì. Çà âûñîêóþ ÿðêîñòü ñâîåãî äèñêà NGC 253 ïîëó÷èëà ïðîçâèùå Ñåðåáðÿíàÿ Ìîíåòà. Îñîáåííî îò÷åòëèâî ýòî ïðîÿâëÿåòñÿ â ãîëóáûõ ëó÷àõ (ðèñ. 7.18), áëàãîäàðÿ áîëüøîìó êîëè÷åñòâó ãîðÿ÷èõ ìàññèâíûõ çâåçä. Íà ïðåêðàñíîì öâåòíîì ñíèìêå ýòîé ãàëàêòèêè, ïîìåùåííîì íà çàäíåì ôîðçàöå ýòîé êíèãè, ÿñíî âèäíû ïîòîêè ãàçà, îòòåêàþùèå èç öåíòðàëüíîé îáëàñòè ãàëàêòèêè ïîä äåéñòâèåì çâåçäíîãî âåòðà è ìîùíîãî èçëó÷åíèÿ ìîëîäûõ çâåçä. Ïîìèìî âîçðàñòíîãî ñîñòàâà, çâåçäíîå íàñåëåíèå ãàëàêòèê (êàê è äèôôóçíàÿ ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà) ìîæåò ðàçëè÷àòüñÿ ñâîèì õèìè÷åñêèì ñîñòàâîì, òî÷íåå, îòíîñèòåëüíûì ñîäåðæàíèåì õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ òÿæåëåå ãåëèÿ. Ïîñêîëüêó ýòè ýëåìåíòû ðîæäàþòñÿ â ìàññèâíûõ çâåçäàõ, à çàòåì ïîïàäàþò â ìåæçâåçäíîå ïðîñòðàíñòâî è ó÷àñò-
240
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ðèñ. 7.18. Ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà NGC 253 òèïà SAB(s)c ñî âñïûøêîé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Âåðõíèé ñíèìîê â áëèæíåì ÈÊ-äèàïàçîíå ïîëó÷åí â 2010 ã. òåëåñêîïîì VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) íà ãîðå Ïàðàíàë Åâðîïåéñêîé þæíîé îáñåðâàòîðèè. Íèæíèé ñíèìîê ïîëó÷åí â ãîëóáûõ ëó÷àõ â õîäå Ïàëîìàðñêîãî îáçîðà íåáà. Óãëîâîé ðàçìåð êàäðà 30¢´20¢, ò. å. â íåì ïî øèðèíå ïîìåñòèëñÿ áû äèñê Ëóíû. Íàïðàâëåíèå íà ñåâåð — âïðàâî âíèç. Ôîòî: ESO/J. Emerson/VISTA.
âóþò â îáðàçîâàíèè íîâûõ ïîêîëåíèé çâåçä, â ìîëîäûõ çâåçäàõ òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ áîëüøå, ÷åì â ñòàðûõ. Ïîýòîìó èçìåðåíèå ñîäåðæàíèÿ òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ â çâåçäàõ ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü èíôîðìàöèþ îá èñòîðèè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ãàëàêòèêå. Ìåíüøå âñåãî òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ îêàçàëîñü â êàðëèêîâûõ ãàëàêòèêàõ. ×àñòè÷íî ýòî îáúÿñíÿ-
7.3. Ñîñòàâ ãàëàêòèê
241
åòñÿ òåì, ÷òî òàêèå ýëåìåíòû åùå íå óñïåëè â íèõ âîçíèêíóòü, à ÷àñòè÷íî òåì, ÷òî íåêîòîðàÿ äîëÿ ãàçà, îáîãàùåííîãî îáðàçîâàâøèìèñÿ â çâåçäàõ õèìè÷åñêèìè ýëåìåíòàìè, ïîëó÷àåò ïðè âûáðîñå èç çâåçä òàêèå áîëüøèå ñêîðîñòè, ÷òî íå óäåðæèâàåòñÿ ãðàâèòàöèîííûì ïîëåì ìàëîìàññèâíîé ãàëàêòèêè è íàâñåãäà ïîêèäàåò åå. Âîçðàñò ãàëàêòèê îöåíèâàþò ïî èõ çâåçäíîìó ñîñòàâó, êîòîðûé îïðåäåëÿþò ïî ñïåêòðó (èëè öâåòó) çâåçäíîãî èçëó÷åíèÿ, îïèðàÿñü ïðè ýòîì íà òåîðèþ çâåçäíîé ýâîëþöèè, óêàçûâàþùåé õàðàêòåðíûé âîçðàñò çâåçä ðàçëè÷íîãî ñïåêòðàëüíîãî êëàññà. Îäíàêî ñàìî ïîíÿòèå âîçðàñòà ãàëàêòèê îïðåäåëåíî íå÷åòêî, ïîñêîëüêó ïðîöåññ ôîðìèðîâàíèÿ ãàëàêòèêè ìîæåò çàíèìàòü 1–2 (à â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ è áîëåå) ìèëëèàðäà ëåò. Òåì íå ìåíåå àíàëèç íàáëþäåíèé ïîêàçàë, ÷òî â àáñîëþòíîì áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ñàìûå ñòàðûå çâåçäû ãàëàêòèê âñåõ òèïîâ èìåþò ñõîäíûé âîçðàñò, ïðåâûøàþùèé 10 ìëðä ëåò. Ìàññîâîå ôîðìèðîâàíèå ãàëàêòèê êàê çâåçäíûõ ñèñòåì èç ïåðâîíà÷àëüíî ãàçîâîé ñðåäû íà÷àëîñü 12–13 ìëðä ëåò íàçàä. Îäíàêî ñðåäè ãàëàêòèê-êàðëèêîâ åñòü ñèñòåìû, âîçðàñò êîòîðûõ, ïî-âèäèìîìó, ñóùåñòâåííî ìåíüøå. Íåêîòîðûå î÷åíü ðåäêî âñòðå÷àþùèåñÿ êàðëèêîâûå ãàëàêòèêè, âåðîÿòíî, òîëüêî â íàøó ýïîõó èñïûòûâàþò ïåðâóþ âñïûøêó èíòåíñèâíîãî çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ñâîåé èñòîðèè.  íèõ ñîäåðæèòñÿ ìíîãî ìåæçâåçäíîãî ãàçà (àòîìàðíîãî âîäîðîäà) è ìîëîäûõ çâåçä è íåò çàìåòíûõ ñëåäîâ ïðèñóòñòâèÿ ñòàðûõ çâåçä (êðàñíûõ ãèãàíòîâ). Ïðè ýòîì â èõ çâåçäàõ è ìåæçâåçäíîì ãàçå î÷åíü ìàëî òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ, êîòîðûå ïðîñòî åùå íå óñïåëè âîçíèêíóòü. Íî ÷àùå âñåãî áîëüøîå êîëè÷åñòâî ìîëîäûõ çâåçä ñâèäåòåëüñòâóåò íå î ìîëîäîñòè ñèñòåìû, à î òîì, ÷òî ïî òåì èëè èíûì ïðè÷èíàì â íåé ïðîèçîøëà î÷åðåäíàÿ âñïûøêà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. 7.3.2. Ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà Ïîìèìî çâåçä, êàæäàÿ ãàëàêòèêà ñîäåðæèò ðàçðåæåííóþ è ñëåãêà íàìàãíè÷åííóþ ìåæçâåçäíóþ ñðåäó. Ýòî èîíèçîâàííûé, íåéòðàëüíûé è ìîëåêóëÿðíûé ãàç ñ íåáîëüøîé (<1% ïî ìàññå) ïðèìåñüþ î÷åíü ìåëêèõ (10–5–10–4 ñì) òâåðäûõ ÷àñòèö — «ïûëèíîê» — ñ ìåòàëëî-ñèëèêàòíûìè èëè ãðàôèòîâûìè ÿäðûøêàìè, ïîêðûòûìè «øóáîé» èç çàìåðçøèõ ëåòó÷èõ ñîåäèíåíèé. Ìåæçâåçäíóþ ñðåäó ïðîíèçûâàþò ïîòîêè âûñîêîýíåðãè÷íûõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö è àòîìíûõ ÿäåð — êîñìè÷åñêèå ëó÷è. Äîëÿ ìàññû ãàëàêòèêè, ïðèõîäÿùàÿñÿ íà ìåæçâåçäíóþ ñðåäó, êàê è ìîùíîñòü ðàäèîèçëó÷åíèÿ, îòíîñÿòñÿ ê âàæíåéøèì íàáëþäàòåëüíûì õàðàêòåðèñòèêàì ãàëàêòèê. Ìàññà ìåæçâåçäíîãî âåùåñòâà ñèëüíî ìåíÿåòñÿ îò îäíîé ãàëàêòèêè ê äðóãîé è îáû÷íî ñîñòàâëÿåò
242
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
îò íåñêîëüêèõ äåñÿòûõ äîëåé ïðîöåíòà äî 50% ñóììàðíîé ìàññû çâåçä (â ðåäêèõ ñëó÷àÿõ ãàç ìîæåò äàæå ïðåîáëàäàòü ïî ìàññå íàä çâåçäàìè). Ñîäåðæàíèå ãàçà â ãàëàêòèêå — ýòî î÷åíü âàæíàÿ õàðàêòåðèñòèêà, îò êîòîðîé âî ìíîãîì çàâèñèò àêòèâíîñòü ïðîèñõîäÿùèõ â ãàëàêòèêå ïðîöåññîâ, è ïðåæäå âñåãî ïðîöåññà ôîðìèðîâàíèÿ çâåçä. Ðàñïðåäåëåíèå ãàçà â ãàëàêòèêå ìîæåò ñèëüíî îòëè÷àòüñÿ îò ðàñïðåäåëåíèÿ çâåçä. Èíîãäà ãàç ïðîñëåæèâàåòñÿ äî çíà÷èòåëüíî áîëüøèõ ðàññòîÿíèé îò öåíòðà ãàëàêòèêè, ÷åì çâåçäû, íàãëÿäíî äåìîíñòðèðóÿ, ÷òî ãàëàêòèêà ìîæåò ïðîäîëæàòüñÿ äàëüøå ñâîèõ îïòè÷åñêèõ ãðàíèö. Îòíîñèòåëüíàÿ äîëÿ ìàññû, ïðèõîäÿùàÿñÿ íà ìåæçâåçäíûé ãàç, â ñðåäíåì óìåíüøàåòñÿ îò íåïðàâèëüíûõ ãàëàêòèê ê ýëëèïòè÷åñêèì. Ó íåïðàâèëüíûõ ñèñòåì îíà ìîæåò äîñòèãàòü 50%. Ó ñïèðàëüíûõ ýòà äîëÿ ñîñòàâëÿåò (5–10)%, à â Å-ãàëàêòèêàõ ãàçà ñîäåðæèòñÿ, êàê ïðàâèëî, ìåíåå 0,1%, õîòÿ èç ýòîãî ïðàâèëà åñòü èñêëþ÷åíèÿ. Ìåæçâåçäíûé ãàç â îñíîâíîì ñîñòîèò èç âîäîðîäà è ãåëèÿ ñ íåáîëüøîé ïðèìåñüþ áîëåå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ. Íàïðèìåð, â îêîëîñîëíå÷íîé îáëàñòè Ãàëàêòèêè ñîñòàâ ãàçà (ïî ìàññå) òàêîé: 70,4% âîäîðîäà, 28,1% ãåëèÿ è 1,5% áîëåå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ. Òÿæåëûå ýëåìåíòû îáðàçóþòñÿ â çâåçäàõ è âìåñòå ñ ãàçîì, òåðÿåìûì çâåçäàìè, îêàçûâàþòñÿ â ìåæçâåçäíîì ïðîñòðàíñòâå, ïîýòîìó èõ ñîäåðæàíèå âàæíî çíàòü äëÿ èçó÷åíèÿ ýâîëþöèè ãàëàêòèêè.  ìåæçâåçäíîé ñðåäå îáíàðóæåíû ñîòíè òèïîâ ìîëåêóë: H2, CO, CS, OH, HCOH, CH3OH, SO2, HC11N è äð.  íåé âñòðå÷àþòñÿ äàæå òàêèå ñëîæíûå ìîëåêóëÿðíûå êîìïëåêñû, êàê ôóëëåðåíû è ïîëèàðîìàòè÷åñêèå óãëåâîäîðîäû — ñîåäèíåíèÿ, õîðîøî èçâåñòíûå íà Çåìëå. Ïî êîëè÷åñòâó è îáùåé ìàññå â ìîëåêóëÿðíîì êîìïîíåíòå ìåæçâåçäíîé ñðåäû äîìèíèðóåò ìîëåêóëà âîäîðîäà (H2), îñòàëüíûõ ìîëåêóë íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ ìåíüøå.  äèñêîâûõ ãàëàêòèêàõ ïî÷òè âåñü ãàç è ïûëü ñîñðåäîòî÷åíû â çâåçäíîì äèñêå, â ñëîå òîëùèíîé 100–200 ïê. Âáëèçè ïëîñêîñòè äèñêà èõ ñðåäíÿÿ îáúåìíàÿ ïëîòíîñòü ìîæåò äàæå ïðåâûøàòü ñðåäíþþ ïëîòíîñòü çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ (ñì. òàáë. 7.8). Âíóòðè äèñêà ïëîòíîñòü ãàçà áîëüøå âñåãî â ñïèðàëüíûõ âåòâÿõ, à òàêæå â öåíòðàëüíîé îáëàñòè. Íî ãàç íàáëþäàåòñÿ è â ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèêàõ, ãäå íåò íè çâåçäíûõ äèñêîâ, íè ñïèðàëüíûõ âåòâåé.  ýòèõ ãàëàêòèêàõ ãàç ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ãîðÿ÷óþ ðàçðåæåííóþ ñðåäó, çàïîëíÿþùóþ âåñü îáúåì çâåçäíîé ñèñòåìû. Èç-çà òåìïåðàòóðû â òûñÿ÷è êåëüâèíîâ îí ñâåòèòñÿ â ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷àõ, ïîýòîìó åãî óäàåòñÿ çàìåòèòü. Ãàç â S- è Irr-ãàëàêòèêàõ íàõîäèòñÿ â ÷åòûðåõ îñíîâíûõ ôàçàõ. Âî-ïåðâûõ, ýòî îáëàêà õîëîäíîãî (<100 K) ìîëåêóëÿðíîãî ãàçà. Îí íå
243
7.3. Ñîñòàâ ãàëàêòèê
Òàáëèöà 7.4 Êîìïîíåíòû ìåæçâåçäíîé ñðåäû Ãàëàêòèêè Êîìïîíåíò Ìîëåêóëÿðíûå îáëàêà
Äîëÿ Øêàëà Òåìïå- Ïëîòîáúå- âûñîò, ðàòóðà, íîñòü, ìà, % ïê K àòîì/ñì3 <1
Õîëîäíàÿ íåé- 1–5 òðàëüíàÿ ñðåäà (CNM)
80
10–20
100– 50–100 300
Ñîñòîÿíèå âîäîðîäà
Òåõíèêà íàáëþäåíèÿ
102–106
Ìîëåêóëû
Ìèêðîâîëíîâûå è ÈÊ-ëèíèè â ýìèññèè è àáñîðáöèè
20–50
Íåéòðàëüíûå àòîìû
Ëèíèÿ H I (21 ñì) â àáñîðáöèè
Òåïëàÿ íåé- 10–20 300– òðàëüíàÿ ñðå400 äà (WNM)
6000– 10 000
0,2–0,5
Íåéòðàëüíûå àòîìû
Ëèíèÿ H I (21 ñì) â ýìèññèè
Òåïëàÿ èîíè- 20–50 1000 çîâàííàÿ ñðåäà (WIM)
8000
0,2–0,5
Èîíèçîâàííûé
Ýìèññèÿ Ha è äèñïåðñèÿ èçëó÷åíèÿ ïóëüñàðîâ
Îáëàñòè H II
8000
102–104
Èîíèçîâàííûé
Ýìèññèÿ Ha è äèñïåðñèÿ èçëó÷åíèÿ ïóëüñàðîâ
10–4– 10–2
Èîíèçîâàííûé (ìåòàëëû òîæå ñèëüíî èîíèçîâàíû)
Ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå, ëèíèè ÓÔ ïîãëîùåíèÿ èîíèçîâàííûõ ìåòàëëîâ
<1
70
«Êîðîíàëü30–70 1000– 106–107 íûé ãàç», ãî3000 ðÿ÷àÿ èîíèçîâàííàÿ ñðåäà (HIM)
èçëó÷àåò ñâåòà, íî åãî ïðèñóòñòâèå îáíàðóæèâàåòñÿ ðàäèîíàáëþäåíèÿìè, ïîñêîëüêó ìîëåêóëû â ðàçðåæåííîé ñðåäå èçëó÷àþò íà îïðåäåëåííûõ äëèíàõ âîëí. Èìåííî â îáëàêàõ õîëîäíîãî ãàçà çàðîæäàþòñÿ çâåçäû. Âî-âòîðûõ, ýòî àòîìàðíûé, èëè íåéòðàëüíûé, ãàç, îáðàçóþùèé îáëàêà è áîëåå ðàçðåæåííóþ ìåæîáëà÷íóþ ñðåäó. Òàêîé ãàç òàêæå íå èçëó÷àåò ñâåòà. Àòîìàðíûé âîäîðîä áûë îòêðûò ïî ðàäèîèçëó÷åíèþ íà ÷àñòîòå 1420 ÌÃö (äëèíà âîëíû 21 ñì).  ýòîì ñîñòîÿíèè íàõîäèòñÿ îñíîâíàÿ ìàññà ìåæçâåçäíîãî ãàçà. Â-òðåòüèõ, â ëó÷àõ âèäèìîãî ñâåòà îáû÷íî íàáëþäàþòñÿ ìíîãî÷èñëåííûå ÿðêèå îáëàñòè, îáðàçîâàííûå ãàçîì, èîíèçîâàííûì óëüòðàôèîëåòîâûì èçëó÷åíèåì çâåçä è íàãðåòûì äî òåìïåðàòóðû îêîëî 104 K. Êàê ïðàâèëî, èñòî÷íèêîì íàãðåâà è èîíèçàöèè ñëóæàò ìîëîäûå çâåçäû, ïîýòîìó áîëüøîå êîëè÷åñòâî èîíèçîâàííîãî ãàçà ñâèäåòåëüñòâóåò îá èíòåíñèâíîì çâåçäîîáðàçîâàíèè â ãàëàêòèêå. Íàêîíåö, â äèñêå âñòðå÷àþòñÿ îáøèðíûå îáëàñòè ðàçìåðîì äî ñîòåí ïàðñåêîâ, çàïîëíåííûå î÷åíü ðàçðåæåííûì è ãîðÿ÷èì ãàçîì ñ òåìïåðàòóðîé ~106 K. Ýòè ãîðÿ÷èå ïóçûðè
244
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
çàíèìàþò íå ìåíåå ÷åòâåðòè îáúåìà äèñêà. Ïëîòíîñòü ãàçà â íèõ ðàç â ñòî íèæå, ÷åì â îêðóæàþùåé ñðåäå. Ïðîèñõîæäåíèå ýòîãî ãàçà â îñíîâíîì ñâÿçàíî ñî âçðûâàìè ñâåðõíîâûõ. Íåñìîòðÿ íà áîëüøóþ ðàçíèöó â òåìïåðàòóðå è ïëîòíîñòè, áîëüøèíñòâî êîìïîíåíòîâ ìåæçâåçäíîãî ãàçà îáëàäàþò ïðèáëèçèòåëüíî îäèíàêîâûì äàâëåíèåì, ò. å. íàõîäÿòñÿ â ìåõàíè÷åñêîì ðàâíîâåñèè äðóã ñ äðóãîì. Òîëüêî ÿðêèå ýìèññèîííûå òóìàííîñòè (îáëàñòè H II) îáëàäàþò çíà÷èòåëüíî áîëüøèì äàâëåíèåì è ïîýòîìó ðàñøèðÿþòñÿ. Ïðè÷èíà â òîì, ÷òî ýòî îáëàñòè ïëîòíûõ è â íåäàâíåì ïðîøëîì õîëîäíûõ îáëàêîâ, íàãðåòûå ìîëîäûìè çâåçäàìè: äàâëåíèå â íèõ ðåçêî âîçðîñëî, à ðàñøèðèòüñÿ è ïðèéòè â ðàâíîâåñèå ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé îíè åùå íå óñïåëè. Ðàçíûå êîìïîíåíòû ìåæçâåçäíîé ñðåäû â íàøåé è åé ïîäîáíûõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèêàõ ðàñïðåäåëåíû ïî ãàëàêòîöåíòðè÷åñêîìó àçèìóòó íåðàâíîìåðíî. Õîëîäíûå ìîëåêóëÿðíûå îáëàêà è ñâÿçàííûå ñ íèìè ÿðêèå îáëàñòè H II êîíöåíòðèðóþòñÿ â ñïèðàëüíûõ ðóêàâàõ áëèç ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè. Ðàçðåæåííûé òåïëûé ãàç çàïîëíÿåò ìåæðóêàâíîå ïðîñòðàíñòâî äèñêà. Èîíèçîâàííûé ãàç ïðîñòèðàåòñÿ âûñîêî íàä äèñêîì.  òàáë. 7.5 ïðèâåäåíà ïîâåðõíîñòíàÿ ïëîòíîñòü ðàçëè÷íûõ êîìïîíåíòîâ ìåæçâåçäíîé ñðåäû â ïðîåêöèè íà ãàëàêòè÷åñêèé äèñê (Ó) íà ñîëíå÷íîì ðàññòîÿíèè îò öåíòðà Ãàëàêòèêè (R0 = 8,5 êïê), óñðåäíåííàÿ ïî ãàëàêòîöåíòðè÷åñêîìó àçèìóòó. Òàì æå óêàçàíà è ïîëíàÿ ìàññà (Mtot) ýòèõ êîìïîíåíòîâ â Ãàëàêòèêå. Ñëåäóåò ó÷åñòü, ÷òî òî÷íîñòü ýòèõ çíà÷åíèé íå î÷åíü âûñîêà. Òàáëèöà 7.5 Ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà ó îðáèòû Ñîëíöà è â Ãàëàêòèêå â öåëîì Êîìïîíåíò
T, K
n, ñì–3
S, MA/ïê2
Mtot, 109 MA
Ìîëåêóëÿðíûé Õîëîäíûé àòîìàðíûé Òåïëûé àòîìàðíûé Òåïëûé èîíèçîâàííûé Ãîðÿ÷èé èîíèçîâàííûé
10–20 50–100 (6–10) · 103 ~8000 ~106
102–106 20–50 0,2–0,5 0,2–0,5 » 0,0065
» 2,5 » 3,5 » 3,5 » 1,4
» 1,3–2,5
} l 6,0 l 1,6
Ñîäåðæàùàÿñÿ â ãàçîâîé ñðåäå ìåæçâåçäíàÿ ïûëü ïðîÿâëÿåò ñåáÿ äâîÿêî. Âî-ïåðâûõ, ïûëü ïîãëîùàåò âèäèìûé è óëüòðàôèîëåòîâûé ñâåò, âûçûâàÿ îáùåå îñëàáëåíèå ÿðêîñòè è ïîêðàñíåíèå ãàëàêòèêè. Íàèáîëåå íåïðîçðà÷íûå (èç-çà ïûëè) ó÷àñòêè ãàëàêòèêè âèäíû êàê òåìíûå îáëàñòè íà áîëåå ñâåòëîì ôîíå. Îñîáåííî ìíîãî íåïðîçðà÷íûõ îáëàñòåé âáëèçè ïëîñêîñòè çâåçäíîãî äèñêà — èìåííî
7.3. Ñîñòàâ ãàëàêòèê
245
òàì êîíöåíòðèðóåòñÿ õîëîäíàÿ ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà. Ïîýòîìó, åñëè ìû âèäèì äèñê ãàëàêòèêè «ñ ðåáðà», îáû÷íî áûâàåò õîðîøî çàìåòíà ïûëåâàÿ ïîëîñà, ïåðåñåêàþùàÿ ãàëàêòèêó ïî äëèííîé îñè. Âî-âòîðûõ, ïûëü èçëó÷àåò ñàìà, îòäàâàÿ íàêîïëåííóþ ýíåðãèþ ñâåòà â ôîðìå äaëåêîãî èíôðàêðàñíîãî èçëó÷åíèÿ (â äèàïàçîíå äëèí âîëí 50–1000 ìêì), ïîýòîìó ïîëíàÿ ýíåðãèÿ èçëó÷åíèÿ ïûëè áûâàåò ñîïîñòàâèìà ñ ýíåðãèåé âèäèìîãî èçëó÷åíèÿ, ïðèõîäÿùåãî ê íàì îò âñåõ çâåçä ãàëàêòèêè. Ñóììàðíàÿ ìàññà ïûëè ñðàâíèòåëüíî íåâåëèêà: â ñîòíè ðàç ìåíüøå ïîëíîé ìàññû ìåæçâåçäíîãî ãàçà. Îñîáåííî ìàëî ïûëè â Å-ãàëàêòèêàõ, ãäå ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóåò è õîëîäíûé ãàç. Ìàëî ïûëè è â êàðëèêîâûõ ãàëàêòèêàõ, ãäå ãàçà ìîæåò áûòü ìíîãî, íî ñðåäà ñîäåðæèò ìàëî òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ, íåîáõîäèìûõ äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ïûëèíîê. Ïûëü â ãàëàêòèêàõ ÿâëÿåòñÿ ïðîäóêòîì ýâîëþöèè çâåçä. Âîîáùå îñîáåííîñòü ãàçîâî-ïûëåâîãî êîìïîíåíòà ëþáîé ãàëàêòèêè ñîñòîèò â òîì, ÷òî îí àêòèâíî âçàèìîäåéñòâóåò ñ åå îñíîâíûì, çâåçäíûì, êîìïîíåíòîì. Î÷åíü âàæíû â ýòîì ñìûñëå ìàññèâíûå çâåçäû: èìåííî îíè — ãëàâíûé èñòî÷íèê âåùåñòâà, ïîñòóïàþùåãî â ìåæçâåçäíóþ ñðåäó, è ýíåðãèè, ïîääåðæèâàþùåé äâèæåíèå è èçëó÷åíèå ýòîé ñðåäû. Âçàèìîäåéñòâèå çâåçä è ãàçà âåñüìà äåòàëüíî èçó÷åíî â Ãàëàêòèêå.  íåé íåïðåðûâíî ïðîèñõîäèò êðóãîîáîðîò âåùåñòâà: ìàññèâíûå çâåçäû îáðàçóþòñÿ â ãèãàíòñêèõ ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêàõ (Ñóðäèí, 1990) è â êîíöå æèçíè âçðûâàþòñÿ êàê ñâåðõíîâûå; ñîâìåñòíîå äåéñòâèå çâåçäíîãî âåòðà è âçðûâîâ ñâåðõíîâûõ ïðèâîäèò ê ýðîçèè îáëàêà è ê îáðàçîâàíèþ ãèãàíòñêèõ îáîëî÷åê âîêðóã àññîöèàöèé; èõ ðàñøèðåíèå ïîðîæäàåò íîâóþ âîëíó çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â îáëàêå.  ðåçóëüòàòå âçðûâû ñâåðõíîâûõ è çâåçäíûé âåòåð ìàññèâíûõ çâåçä ðåãóëèðóþò ôèçè÷åñêîå ñîñòîÿíèå, ñòðóêòóðó è äâèæåíèå ãàçîâîé ñðåäû â Ãàëàêòèêå (Ëîçèíñêàÿ, 2012). Ñõîäíûå ïðîöåññû íàáëþäàþòñÿ è â äðóãèõ çâåçäíûõ ñèñòåìàõ.  íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ îñíîâíûì èñòî÷íèêîì ýíåðãèè âûñòóïàþò íå çâåçäû, à àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê, ôàêòè÷åñêè — ñâåðõìàññèâíûå ÷åðíûå äûðû â èõ öåíòðàõ.  òî âðåìÿ êàê îñíîâíàÿ ìàññà ìåæçâåçäíîãî âåùåñòâà ñîñðåäîòî÷åíà â äèñêàõ ãàëàêòèê, íåáîëüøàÿ åãî äîëÿ îêðóæàåò êàæäóþ ìàññèâíóþ ãàëàêòèêó â âèäå îáøèðíîãî ðàçðåæåííîãî è î÷åíü ãîðÿ÷åãî ãàëî, êîòîðîå ïðèíÿòî íàçûâàòü «ãàçîâîé êîðîíîé», à ñàì ãàç — êîðîíàëüíûì. Ãàçîâûå êîðîíû, êàê ïðàâèëî, ïðîñòèðàþòñÿ çà ïðåäåëû âèäèìûõ îïòè÷åñêèõ ãðàíèö ãàëàêòèê. Íàèáîëåå ìàññèâíûå è ïðîòÿæåííûå êîðîíû íàáëþäàþòñÿ â ãèãàíòñêèõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèêàõ, ãäå ïîëíàÿ ìàññà ãàçà ìîæåò äîñòèãàòü ìèëëèàðäà ìàññ Ñîëíöà. Òåì-
246
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
ïåðàòóðà ãàçà â êîðîíàõ ñîñòàâëÿåò ~106 K.  ýòîì ñìûñëå îí ïîõîæ íà ãàç ñîëíå÷íîé êîðîíû, è ýòî íå ñëó÷àéíî: âòîðàÿ êîñìè÷åñêàÿ ñêîðîñòü ó ïîâåðõíîñòè Ñîëíöà è ó ãðàíèöû êðóïíîé ãàëàêòèêè îêîëî 600 êì/ñ, ýòèì è îïðåäåëÿåòñÿ ñêîðîñòü äâèæåíèÿ ÷àñòèö. Ïðè òåìïåðàòóðå â ìèëëèîíû êåëüâèíîâ ãàç èçëó÷àåò â îñíîâíîì â ðåíòãåíîâñêîì äèàïàçîíå, ïîýòîìó ãàçîâûå êîðîíû ãàëàêòèê áûëè îáíàðóæåíû ïî ðåíòãåíîâñêèì íàáëþäåíèÿì ñ îðáèòû.  çàâèñèìîñòè îò ïëîòíîñòè è òåìïåðàòóðû ýòîò ãàç ñî âðåìåíåì ìîæåò îõëàæäàòüñÿ è â âèäå îòäåëüíûõ îáëàêîâ ïàäàòü íà ãàëàêòèêó ëèáî íàãðåâàòüñÿ è óõîäèòü â ìåæãàëàêòè÷åñêîå ïðîñòðàíñòâî. Ê îñíîâíûì èñòî÷íèêàì, ïîïîëíÿþùèì çàïàñû ãàçà â êîðîíàõ, ìîæíî îòíåñòè: ãàëàêòè÷åñêèé äèñê, ãàç êîòîðîãî â îòäåëüíûõ îáëàñòÿõ ïîëó÷àåò áîëüøóþ ýíåðãèþ è ïîêèäàåò äèñê; çâåçäû âäàëè îò ïëîñêîñòè äèñêà, òåðÿþùèå âåùåñòâî â ïðîöåññå ýâîëþöèè, à òàêæå ìåæãàëàêòè÷åñêèé ãàç, ñóùåñòâóþùèé â ãðóïïàõ è ñêîïëåíèÿõ ãàëàêòèê. Îñîáûé êîìïîíåíò ìåæçâåçäíîé ñðåäû — êîñìè÷åñêèå ëó÷è, ò. å. âûñîêîýíåðãè÷íûå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû è ÿäðà àòîìîâ.  ñîñòàâ êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé âõîäÿò ýëåêòðîíû, ïðîòîíû (ÿäðà àòîìîâ âîäîðîäà) è ÿäðà áîëåå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ — ãåëèÿ, êèñëîðîäà, óãëåðîäà, àçîòà è äð. Êîëè÷åñòâåííî îíè ïðåäñòàâëåíû ïðèìåðíî òàê æå, êàê ýëåìåíòû â àòìîñôåðå Ñîëíöà, ò. å. ïðîòîíû è ÿäðà ãåëèÿ ñîñòàâëÿþò 98% ÷àñòèö, à 2% — âñå îñòàëüíûå ÿäðà. Êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ ÷àñòèö êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé îáû÷íî âûðàæàþò â ýëåêòðîíâîëüòàõ (ýÂ). Ýòî ýíåðãèÿ, êîòîðóþ ïðèîáðåòàåò ÷àñòèöà ñ åäèíè÷íûì çàðÿäîì (êàê ó ýëåêòðîíà èëè ïðîòîíà), ïðîéäÿ ÷åðåç ïðîìåæóòîê ïðîñòðàíñòâà ñ ðàçíîñòüþ ïîòåíöèàëîâ â 1 âîëüò: 1 ý = 1,6 · 10–19 Äæ. Êîñìè÷åñêèìè ëó÷àìè îáû÷íî íàçûâàþò ÷àñòèöû ñ êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé áîëåå 100 Ìý (ò. å. 108 ýÂ), à ìåíåå ýíåðãè÷íûå, íî âñå æå äîñòàòî÷íî áûñòðûå ÷àñòèöû èìåíóþò ñóáêîñìè÷åñêèìè ëó÷àìè. Êîñìè÷åñêèå ëó÷è, ïðèõîäÿùèå ê Çåìëå îò Ñîëíöà, èìåþò ñðàâíèòåëüíî íèçêóþ ýíåðãèþ, îáû÷íî íå âûøå 10 Ãý (= 1010 ýÂ). Ãîðàçäî áîëåå ýíåðãè÷íûå ÷àñòèöû ïðèõîäÿò èç Ãàëàêòèêè è, âîçìîæíî, âíåãàëàêòè÷åñêîãî ïðîñòðàíñòâà: èõ ýíåðãèÿ äîñòèãàåò 1021 ýÂ. Åñëè âñïîìíèòü, ÷òî ëó÷øèå ëàáîðàòîðíûå óñêîðèòåëè ðàçãîíÿþò ÷àñòèöû äî ýíåðãèè ïîðÿäêà 1013 ýÂ, ñòàíîâèòñÿ ïîíÿòíûì, ïî÷åìó ôèçèêè òàê èíòåðåñóþòñÿ êîñìè÷åñêèìè ëó÷àìè: òàêèõ ìîùíûõ «ñíàðÿäîâ» äëÿ áîìáàðäèðîâêè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö è èññëåäîâàíèÿ èõ âíóòðåííåé ñòðóêòóðû íèêîãäà íå óäàñòñÿ ïîëó÷èòü â ëàáîðàòîðèè. Ïîïàäàÿ â àòìîñôåðó Çåìëè, ÷àñòèöû êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé ñòàëêèâàþòñÿ ñ ÿäðàìè àòîìîâ âîçäóõà. Ïîñêîëüêó ýíåðãèÿ âëåòàþùèõ ÷àñ-
7.3. Ñîñòàâ ãàëàêòèê
247
òèö çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàåò ýíåðãèþ ïîêîÿ (mc2) ëþáîé ýëåìåíòàðíîé ÷àñòèöû, îò ýòèõ ñòîëêíîâåíèé ðîæäàþòñÿ íîâûå áûñòðûå ÷àñòèöû (íóêëîíû, ìåçîíû è äð.), êîòîðûå òàêæå èñïûòûâàþò íåîäíîêðàòíûå ñòîëêíîâåíèÿ è â ñâîþ î÷åðåäü ïîðîæäàþò íîâûå ÷àñòèöû. Òàêèì îáðàçîì, ïðè ïîïàäàíèè â àòìîñôåðó îäíîé ÷àñòèöû «ïåðâè÷íûõ êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé» ïîâåðõíîñòè ïëàíåòû äîñòèãàåò öåëûé ëèâåíü «âòîðè÷íûõ êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé». Ñðåäè íèõ íåìàëî ðåäêèõ è êîðîòêîæèâóùèõ ÷àñòèö, ìíîãèå èç êîòîðûõ áûëè îòêðûòû èìåííî â ïîòîêàõ âòîðè÷íûõ êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé: íàïðèìåð, ïîçèòðîíû (1932 ã.), ìþîíû (1937 ã.), ïè-ìåçîíû (1947 ã.) Îòíîñèòåëüíî ïðîèñõîæäåíèÿ êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé êîå-÷òî óæå ïðîÿñíèëîñü. Èñòî÷íèêîì ýëåêòðîíîâ ñ ýíåðãèåé ìåíåå 3 · 107 ý â ìåæïëàíåòíîì ïðîñòðàíñòâå ñëóæèò ìàãíèòîñôåðà Þïèòåðà. Ñîëíå÷íûå êîñìè÷åñêèå ëó÷è ñ ýíåðãèåé 106–109 ý óñêîðÿþòñÿ ïðè õðîìîñôåðíûõ âñïûøêàõ è äðóãèõ àêòèâíûõ ïðîöåññàõ íà Ñîëíöå, à òàêæå âî âíåøíèõ ÷àñòÿõ ãåëèîñôåðû — îáëàñòè, çàíÿòîé ñîëíå÷íûì âåòðîì. Óñòàíîâèòü èñòî÷íèêè ãàëàêòè÷åñêèõ êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé ïðÿìûìè íàáëþäåíèÿìè íå óäàåòñÿ: äâèãàÿñü â ìåæçâåçäíîì ìàãíèòíîì ïîëå, çàðÿæåííûå ÷àñòèöû òåðÿþò ïåðâîíà÷àëüíîå íàïðàâëåíèå ïîëåòà, èõ òðàåêòîðèè çàïóòûâàþòñÿ, è ïîýòîìó îíè ïðèõîäÿò ê Çåìëå îäèíàêîâî ÷àñòî ñ ëþáîãî íàïðàâëåíèÿ. Êîñâåííî âûÿñíÿåòñÿ, ÷òî «óñêîðèòåëÿìè» êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé ñëóæàò âçðûâû ñâåðõíîâûõ çâåçä, âûñîêàÿ àêòèâíîñòü ìîëîäûõ ïóëüñàðîâ è òåñíûå äâîéíûå ñèñòåìû, ãäå ÷àñòèöû ðàçãîíÿþòñÿ äî áîëüøèõ ýíåðãèé â ñèëüíûõ ïåðåìåííûõ ìàãíèòíûõ ïîëÿõ âáëèçè êîìïàêòíîé çâåçäû. Íî äåòàëè ýòèõ ïðîöåññîâ ïîêà íå ÿñíû. Âîçìîæíî, ÷òî ñàìûå ýíåðãè÷íûå êîñìè÷åñêèå ÷àñòèöû èìåþò âíåãàëàêòè÷åñêîå ïðîèñõîæäåíèå è ñâÿçàíû ñ àêòèâíûìè ÿäðàìè ãàëàêòèê. Ëþáîïûòíî, ÷òî ñðåäíÿÿ ïðîñòðàíñòâåííàÿ ïëîòíîñòü ýíåðãèè, ñâÿçàííîé ñ ðàçëè÷íûìè êîìïîíåíòàìè ìåæçâåçäíîé ñðåäû, ïðèáëèçèòåëüíî îäèíàêîâà è áëèçêà ê 1 ýÂ/ñì3 (òàáë. 7.6). Ðàçóìååòñÿ, ïîä êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé ìåæçâåçäíîãî ãàçà ïîíèìàþò ýíåðãèþ õàîòè÷åñêîãî äâèæåíèÿ åãî ÷àñòèö â ñèñòåìå îòñ÷åòà, ñâÿçàííîé ñ âðàùàþùèìñÿ äèñêîì Ãàëàêòèêè. Âðàùåíèå ñàìîãî äèñêà ïåðåíîñèò ãàç ñ îãðîìíîé ñêîðîñòüþ, îêîëî 200 êì/ñ, ñîîáùàÿ åìó ïëîòíîñòü ýíåðãèè ïîðÿäêà 1 êýÂ/ñì3, íî ýòà ýíåðãèÿ íå ìîæåò âûäåëèòüñÿ, ïîêà íå ñòîëêíóòñÿ äâå ãàëàêòèêè. À «âíóòðåííÿÿ æèçíü» äèñêà êàêèì-òî îáðàçîì âûðîâíÿëà ïëîòíîñòè ýíåðãèè ðàçëè÷íûõ êîìïîíåíòîâ ìåæçâåçäíîé ñðåäû, ÷òî óêàçûâàåò íà âçàèìíóþ ñâÿçü ìåæäó íèìè, à òàêæå èõ ñâÿçü ñî çâåçäàìè, íàïîëíÿþùè-
248
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Òàáëèöà 7.6 Ïëîòíîñòü ýíåðãèè (E) â ðàéîíå Ñîëíöà Êîìïîíåíò ìåæçâåçäíîé ñðåäû (íîñèòåëü ýíåðãèè) Êîñìè÷åñêèå ëó÷è Ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå çâåçä Êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ìåæçâåçäíîãî ãàçà Ãàëàêòè÷åñêîå ìàãíèòíîå ïîëå Ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå
Å, ýÂ/ñì3 1,0 0,7 0,5 1,0 0,25
ìè Ãàëàêòèêó èçëó÷åíèåì. Íåêîòîðûå ôèçè÷åñêèå ìåõàíèçìû ýòîé âçàèìîñâÿçè ïîíÿòíû: ðàâíîâåñèå äàâëåíèé êîñìè÷åñêèõ ÷àñòèö, ìàãíèòíîãî ïîëÿ è ãàçà íå ìîæåò ñèëüíî íàðóøàòüñÿ, èáî âñå îíè ñâÿçàíû ñ èíòåíñèâíîñòüþ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ.  íåêîòîðîé ñòåïåíè ñ íåé ñâÿçàíà è ïëîòíîñòü èçëó÷åíèÿ çâåçä. Îäíàêî ïðè ÷åì òóò ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå? 7.3.3. Çâåçäîîáðàçîâàíèå â ãàëàêòèêàõ Èòàê, çâåçäû ôîðìèðóþòñÿ èç ìåæçâåçäíîãî ãàçà, à â õîäå ýâîëþöèè âîçâðàùàþò ÷àñòü ñâîåãî âåùåñòâà îáðàòíî â ìåæçâåçäíóþ ñðåäó. Âåùåñòâî òåðÿþò âñå çâåçäû, íî òåìï ïîòåðè çàâèñèò îò ìàññû çâåçäû è åå ýâîëþöèîííîãî âîçðàñòà. Êàê ïðàâèëî, íàèáîëåå èíòåíñèâíî çâåçäà õóäååò â íà÷àëå è â êîíöå ñâîåé æèçíè. Çâåçäû ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè íåîõîòíî ðàññòàþòñÿ ñî ñâîèì âåùåñòâîì, íî åñòü íåñêîëüêî òèïîâ çâåçä, àêòèâíî òåðÿþùèõ ãàç. Ïðåäñòàâèì èõ: — çâåçäû òèïà Ò Òåëüöà (T Tau) åùå íå çàêîí÷èëè ôîðìèðîâàòüñÿ è íå äîñòèãëè ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè íà äèàãðàììå Ãåðöøïðóíãà—Ðàññåëà. Ëèøíåå ìåæçâåçäíîå âåùåñòâî, ïðîäîëæàþùåå ïàäàòü íà íèõ èç îêðóæàþùåãî îáëàêà, îíè îòáðàñûâàþò îò ñåáÿ â âèäå äæåòîâ, áüþùèõ èç öåíòðîâ àêêðåöèîííûõ äèñêîâ; — ìàññèâíûå çâåçäû ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ O è B ñâåòÿò òàê ÿðêî, ÷òî ãàç èç èõ àòìîñôåðû âûòàëêèâàåòñÿ äàâëåíèåì ñâåòà; — âñïûõèâàþùèå çâåçäû; â îñíîâíîì ýòî ìàëîìàññèâíûå êðàñíûå êàðëèêè ñ ìîùíîé õðîìîñôåðîé è êîðîíîé. Îíè äåìîíñòðèðóþò àêòèâíîñòü òèïà ñîëíå÷íîé — ïÿòíà è âñïûøêè, ñòèìóëèðóþùèå çâåçäíûé âåòåð òàêîé æå èëè áîëåå ñèëüíûé, ÷åì ó Ñîëíöà; — õîëîäíûå ñâåðõãèãàíòû è ãèãàíòû ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ MI–MIII èìåþò òàêîé áîëüøîé ðàçìåð, ÷òî èõ àòìîñôåðû ñëàáî ïðèòÿãèâàþòñÿ ê çâåçäå è ëåãêî åå ïîêèäàþò, çíàìåíóÿ ïåðåõîä çâåçäû ê ñòàäèè ïëàíåòàðíîé òóìàííîñòè;
7.3. Ñîñòàâ ãàëàêòèê
249
— íàèáîëåå ìàññèâíûå çâåçäû â ñòàðîñòè ñòàíîâÿòñÿ íàñòîëüêî ÿðêèìè è àêòèâíûìè, ÷òî ñáðàñûâàþò îáîëî÷êó äàâëåíèåì ñâåòà è îáíàæàþò ñâîå ãåëèåâîå ÿäðî. Ýòî çâåçäû òèïà Âîëüôà—Ðàéå. Äàæå ñáðîñèâ çíà÷èòåëüíóþ ÷àñòü ñâîåé ìàññû è ñòàâ â êîíöå êîíöîâ òèõèì áåëûì êàðëèêîì, çâåçäà ìîæåò «ïîìî÷ü» ñîñåäó èçáàâèòüñÿ îò åãî ëèøíåé ìàññû.  òåñíûõ äâîéíûõ ñèñòåìàõ, ãäå áåëûé êàðëèê ñîñåäñòâóåò ñ íîðìàëüíîé çâåçäîé, îí ìîæåò çàõâàòûâàòü ãàç èç àòìîñôåðû ýòîé çâåçäû è âûáðàñûâàòü åãî â îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî ïîä äåéñòâèåì òåðìîÿäåðíûõ âçðûâîâ (íîâûå çâåçäû) èëè ãðàâèòàöèîííûõ è ìàãíèòíûõ ñèë (êàðëèêîâûå íîâûå òèïà U Gem). Òàêèì îáðàçîì, âåùåñòâî èç ìåæçâåçäíîé ñðåäû ïåðåõîäèò â çâåçäû, à çàòåì îáðàòíî. Íî îáìåí âåùåñòâîì ìåæäó çâåçäàìè è ìåæçâåçäíîé ñðåäîé íå ñáàëàíñèðîâàí: ïîñêîëüêó çâåçäû òåðÿþò ëèøü ÷àñòü ñâîåé ìàññû, çâåçäîîáðàçîâàíèå ïðèâîäèò ê ìåäëåííîìó óìåíüøåíèþ çàïàñîâ ãàçà â ãàëàêòèêå. Ñîâðåìåííûé ñðåäíèé òåìï çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â Ãàëàêòèêå îöåíèâàåòñÿ â (3–5) MA/ãîä. Ýòî âåùåñòâî ÷åðïàåòñÿ èç ìåæçâåçäíîé ñðåäû. À âîçâðàùàåòñÿ â íåå â ðåçóëüòàòå àêòèâíîñòè çâåçä îêîëî 1 MA/ãîä (òàáë. 7.7). Åùå ïðèáëèçèòåëüíî ñòîëüêî æå, ïî-âèäèìîìó, ïàäàåò íà äèñê Ãàëàêòèêè èç äàëåêèõ îáëàñòåé ãàëî â ðåçóëüòàòå îñòûâàíèÿ ìåæãàëàêòè÷åñêîãî ãàçà èëè åãî ïîòåðè ãàëàêòèêàìè-ñïóòíèêàìè.  èòîãå òåìï èñ÷åðïàíèÿ ãàçà â Ãàëàêòèêå ñîñòàâëÿåò îêîëî 2 MA/ãîä, ÷òî ïðè åãî ïîëíîì êîëè÷åñòâå îêîëî 1010 MA äàåò õàðàêòåðíîå âðåìÿ óìåíüøåíèÿ çàïàñîâ ãàçà îêîëî 5 · 109 ëåò. Ýòè öèôðû âïîëíå ñîãëàñóþòñÿ ñ íàøèìè ïðåäñòàâëåíèÿìè îá ýâîëþöèè Ãàëàêòèêè.  íåé ñàìîé è â áîëüøèíñòâå ïîäîáíûõ åé êðóïíûõ ãàëàêòèê íà äîëþ ãàçà ïðèõîäèòñÿ ëèøü íåñêîëüêî ïðîöåíòîâ âåùåñòâà, ñîäåðæàùåãîñÿ â çâåçäàõ, òî åñòü áîëüøàÿ ÷àñòü ãàçà óæå èçðàñõîäîâàíà. Ïîýòîìó çâåçäîîáðàçîâàíèå â òàêèõ ãàëàêòèêàõ ïðîèñõîäèò âåñüìà âÿëî.  ñðåäíåì òåìïû çâåçäîîáðàçîâàíèÿ (â ðàñ÷åòå íà åäèíèöó ìàññû èëè ñâåòèìîñòè ãàëàêòèêè) óìåíüøàþòñÿ âäîëü õàááëîâñêîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè òèïîâ îò Irr ê E, õîòÿ åñòü è èñêëþ÷åíèÿ èç ýòîãî ïðàâèëà.  Å-ãàëàêòèêàõ ìîëîäûå çâåçäû ëèáî âîîáùå îòñóòñòâóþò, ëèáî èõ ñëåäû çàìåòíû ëèøü â ñàìîì öåíòðå ãàëàêòèêè.  S- è Irr-ãàëàêòèêàõ â ñðåäíåì â çâåçäû ïðåâðàùàåòñÿ îò íåñêîëüêèõ åäèíèö äî íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ ñîëíå÷íûõ ìàññ âåùåñòâà â ãîä. Îáû÷íî ÷åì áîëüøå ãàçà â ãàëàêòèêå, òåì âûøå òåìï çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â íåé. Òåñíåå âñåãî ðîæäåíèå çâåçä ñâÿçàíî ñ õîëîäíûì è ïëîòíûì ìîëåêóëÿðíûì ãàçîì, ïîñêîëüêó èìåííî â íåì ôîðìèðóþòñÿ çâåçäû. Åñëè ðàññìàòðèâàòü ïðîòÿæåííûå ó÷àñòêè ãàëàêòè÷åñêèõ äèñêîâ ðàçìåðîì áîëåå
250
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Òàáëèöà 7.7 Èñòî÷íèêè ìåæçâåçäíîãî âåùåñòâà â Ãàëàêòèêå Èñòî÷íèêè âåùåñòâà Çâåçäû òèïà Âîëüôà—Ðàéå Âñïûõèâàþùèå çâåçäû Çâåçäû òèïà T Tau Çâåçäû òèïà U Gem Çâåçäû ñïåêòðàëüíîãî òèïà O è B Ñâåðõãèãàíòû êëàññà M I ßðêèå ãèãàíòû êëàññà M II Ñëàáûå ãèãàíòû êëàññà M III Ïëàíåòàðíûå òóìàííîñòè Íîâûå (1 âñïûøêà) Ñâåðõíîâûå (1 âñïûøêà) Àêêðåöèÿ ìåæãàëàêòè÷åñêîãî ãàçà
Ïðèòîê îò 1 çâåçäû Êîëè÷åñòâî Îáùèé èëè 1 âñïûøêè, çâåçä èëè ïðèòîê, MA/ãîä ñîáûòèé â ãîä MA/ãîä 3 · 10–5 10–12 10–8 2 · 10–9 2 · 10–6 4 · 10–6 4 · 10–7 10–8 10–5 10–4 MA 0,5 MA —
103 1011 106 107 105 2 · 104 4 · 105 106 3 · 104 100 1/30 ëåò —
0,03 0,1 0,01 0,02 0,2 0,08 0,16 0,01 0,3 0,01 0,02 ~1?
0,5 êïê, òî îêàæåòñÿ, ÷òî êîëè÷åñòâî ìîëîäûõ çâåçä â íèõ â ñðåäíåì ïðîïîðöèîíàëüíî êîëè÷åñòâó ìîëåêóëÿðíîãî ãàçà. Ãàëàêòèêè ñ èíòåíñèâíûì çâåçäîîáðàçîâàíèåì îòëè÷àþòñÿ áîëüøèì ÷èñëîì ìîëîäûõ çâåçä âûñîêîé ñâåòèìîñòè (ãîëóáûõ ñâåðõãèãàíòîâ), áîëåå ãîëóáûì öâåòîì è áîëüøèì êîëè÷åñòâîì ÿðêèõ îáëàñòåé èîíèçîâàííîãî ãàçà. Ïðèñóòñòâèå ìîëîäûõ ìàññèâíûõ çâåçä äåëàåò òàêèå ãàëàêòèêè îñîáåííî ÿðêèìè â óëüòðàôèîëåòå è â äàëåêîé èíôðàêðàñíîé îáëàñòè ñïåêòðà (èçëó÷åíèå òåïëîé ïûëè). ×àñòûå âçðûâû ñâåðõíîâûõ çâåçä óâåëè÷èâàþò ìîùíîñòü ðàäèîèçëó÷åíèÿ ãàëàêòèêè. Ïî ýòèì ïðèçíàêàì è îöåíèâàåòñÿ èíòåíñèâíîñòü çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ãàëàêòèêàõ. Ïî÷òè âñåãäà çâåçäû ôîðìèðóþòñÿ â äèñêàõ ãàëàêòèê, ãäå êîíöåíòðèðóåòñÿ ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà. Ïðè ýòîì çâåçäîîáðàçîâàíèå íîñèò î÷àãîâûé õàðàêòåð: ãàç è ìîëîäûå çâåçäû, êàê ïðàâèëî, ãðóïïèðóþòñÿ â îòäåëüíûõ îáëàñòÿõ äèñêà ðàçìåðîì â ñîòíè ïàðñåêîâ. Íåáîëüøèå ãàëàêòèêè ìîãóò ñîäåðæàòü äâà-òðè êðóïíûõ î÷àãà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, à â ãàëàêòèêàõ-ãèãàíòàõ ñîòíè îáëàñòåé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ðàçëè÷íûõ ðàçìåðîâ ðàññåÿíû ïî âñåìó äèñêó, êîíöåíòðèðóÿñü ê ñïèðàëüíûì âåòâÿì, ãäå ïëîòíîñòü ãàçà íàèáîëåå âûñîêà. Áîëüøàÿ ÷àñòü íàáëþäàåìûõ ðàçëè÷èé ìåæäó ãàëàêòèêàìè ïðÿìî èëè êîñâåííî ñâÿçàíà ñî çâåçäîîáðàçîâàíèåì â íèõ — êàê â ñîâðåìåííóþ ýïîõó, òàê è â ïðîøëîì.
7.3. Ñîñòàâ ãàëàêòèê
251
Òåìï çâåçäîîáðàçîâàíèÿ è ðàñïîëîæåíèå îáëàñòåé, ãäå â ãàëàêòèêå ðîæäàþòñÿ çâåçäû, çàâèñèò îò ìíîãèõ ôàêòîðîâ, êîòîðûå ìîãóò óñêîðÿòü èëè çàìåäëÿòü ïðîöåññ ïðåâðàùåíèÿ ãàçà â çâåçäû. Âûÿâëåíèå ýòèõ ôàêòîðîâ è èõ ðîëè â ýâîëþöèè ãàëàêòèê — âàæíàÿ è äàëåêî íå ðåøåííàÿ ïðîáëåìà. À âåäü îíà ïðÿìî ñâÿçàíà ñ âîïðîñîì î ìîðôîëîãèè ãàëàêòèê, ïîñêîëüêó èõ âíåøíèé âèä ïî÷òè ïîëíîñòüþ îïðåäåëÿåòñÿ ðàñïðåäåëåíèåì â íèõ îáëàñòåé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Íàïðèìåð, íàøà ãàëàêòèêà ñïèðàëüíàÿ.  ìèðå ãàëàêòèê ýòî íå ðåäêîñòü: ìíîãèå êðóïíûå ñèñòåìû èìåþò ñïèðàëüíûé óçîð íà ñâîåì çâåçäíîì äèñêå. ßðêèå è ãîðÿ÷èå þíûå çâåçäû â îñíîâíîì è ñîñðåäîòî÷åíû â ýòèõ ñïèðàëÿõ. Íî êàê îáðàçóþòñÿ ñïèðàëüíûå ðóêàâà? Íà ýòîò ñ÷åò ñóùåñòâóþò ðàçëè÷íûå âçãëÿäû (ñì. ðàçäåë 3.16), ïðè÷åì îáû÷íî ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ïåðâè÷íû êîëëåêòèâíûå ïðîöåññû, ïðèâîäÿùèå ê ïîÿâëåíèþ ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ-óïëîòíåíèé, à çâåçäîîáðàçîâàíèå, âîçíèêàþùåå â ýòèõ óïëîòíåíèÿõ, — ýòî âòîðè÷íûé ýôôåêò, íå îêàçûâàþùèé ïðÿìîãî âëèÿíèÿ íà ôîðìèðîâàíèå ñïèðàëüíîãî óçîðà.  ïîñëåäíèå äåñÿòèëåòèÿ îñîáåííî ïîïóëÿðíû áûëè òåîðèè ñïèðàëüíûõ âîëí ïëîòíîñòè, áåãóùèõ ïî çâåçäíîìó äèñêó, êàê ïî ïîâåðõíîñòè âîäû. Íî ñóùåñòâóåò è äðóãîé ïîäõîä ê ýòîé ïðîáëåìå, ñâÿçàííûé ñ îñîáåííîñòÿìè ôîðìèðîâàíèÿ çâåçä. Îêàçàëîñü, ÷òî ñïèðàëüíûå âåòâè ìîãóò è íå èìåòü âîëíîâîé ïðèðîäû. Ñïèðàëüíûé óçîð äàëåêî íå âñåãäà îáëàäàåò ÷åòêîé, ïðàâèëüíîé ôîðìîé, à ÷àñòî ñîñòîèò èç êîðîòêèõ ñïèðàëåâèäíûõ ó÷àñòêîâ. Ýòè ñåãìåíòû, âûòÿíóòûå äèôôåðåíöèàëüíûì âðàùåíèåì äèñêà, ìîãóò áûòü ñâÿçàíû ñ íåïðåðûâíî âîçíèêàþùèìè è èñ÷åçàþùèìè îáëàñòÿìè ðîæäåíèÿ çâåçä. Çðåëûå îáëàñòè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ñîñòîÿíèè ñòèìóëèðîâàòü ðîæäåíèå çâåçä â ñîñåäíèõ îáëàñòÿõ, òàê ÷òî âåñü ïðîöåññ áóäåò èìåòü íåçàòóõàþùèé (ïîêà åñòü ãàç) õàðàêòåð. Äî íåäàâíèõ ïîð òåîðèÿ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ èçó÷àëà íåáîëüøèå ãàëàêòè÷åñêèå ñòðóêòóðû — òóìàííîñòè è çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ — ðàçìåðîì â íåñêîëüêî ïàðñåêîâ, à òåîðèÿ ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû èìåëà äåëî ñ ìàñøòàáàìè â êèëîïàðñåêè. Íî â ïîñëåäíåå âðåìÿ ýòè òåîðèè ñáëèçèëèñü ïðè èçó÷åíèè ñòðóêòóð ïðîìåæóòî÷íîãî ðàçìåðà: ôðàãìåíòîâ ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ, îãðîìíûõ «ïóçûðåé» ìåæçâåçäíîãî ãàçà è êîìïëåêñîâ ãèãàíòñêèõ ìåæçâåçäíûõ îáëàêîâ. Íàáëþäåíèÿ óêàçûâàþò, ÷òî ýòè îáúåêòû ïðîÿâëÿþò ýëåìåíòû ñàìîîðãàíèçàöèè, ðàñïîëàãàÿñü â îïðåäåëåííîì ïîðÿäêå, è, âåðîÿòíî, ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé ãåíåòè÷åñêè. Íî ïðè÷èíû ýòîé ñâÿçè íå âïîëíå ÿñíû. Âñïîìíèì, ÷òî ó èñòîêîâ òåîðèè ôîðìèðîâàíèÿ çâåçä è ãàëàêòèê ñòîÿë ñàì Èñààê Íüþòîí.  1692 ã. îí èçëîæèë ñâîþ èäåþ î ãðàâèòàöè-
252
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
îííîì ñêó÷èâàíèè êîñìè÷åñêîãî âåùåñòâà: «…Åñëè áû ýòî âåùåñòâî áûëî ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåíî ïî áåñêîíå÷íîìó ïðîñòðàíñòâó, îíî íèêîãäà íå ìîãëî áû îáúåäèíèòüñÿ â îäíó ìàññó, íî ÷àñòü åãî ñãóùàëàñü áû òóò, à äðóãàÿ òàì, îáðàçóÿ áåñêîíå÷íîå ÷èñëî îãðîìíûõ ìàññ, ðàçáðîñàííûõ íà îãðîìíûõ ðàññòîÿíèÿõ äðóã îò äðóãà ïî âñåìó ýòîìó áåñêîíå÷íîìó ïðîñòðàíñòâó. Èìåííî òàê ìîãëè îáðàçîâàòüñÿ Ñîëíöå è… çâåçäû». Ñïóñòÿ òðè ñòîëåòèÿ ñìåëàÿ ãèïîòåçà Íüþòîíà ïîäòâåðäèëàñü ïî÷òè áóêâàëüíî: íàø ìèð äåéñòâèòåëüíî áûë íåêîãäà çàïîëíåí îäíîðîäíûì âåùåñòâîì, è îíî äåéñòâèòåëüíî ðàçäåëèëîñü íà ÷àñòè è ñãóñòèëîñü â ãèãàíòñêèå ñâåòÿùèåñÿ ìàññû — çâåçäû è ãàëàêòèêè. Âîò òîëüêî ðàñïðåäåëåíû ýòè ìàññû â ïðîñòðàíñòâå âíóòðè ãàëàêòèê äàëåêî íå õàîòè÷íî: îíè íå «ðàçáðîñàíû», êàê ïîëàãàë âåëèêèé ôèçèê, à îðãàíèçîâàíû â óäèâèòåëüíûå ñòðóêòóðû — çâåçäíûå êîìïëåêñû, ñîäåðæàùèå â ñåáå íå òîëüêî îòäåëüíûå ìîëîäûå çâåçäû, íî è çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ, àññîöèàöèè è îáëàêà ìåæçâåçäíîãî ãàçà, èç êîòîðîãî âñå ýòî îáðàçóåòñÿ. Êîìïëåêñû ðàçìåðîì îêîëî 300–500 ïê è ìàññîé â íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ìàññ Ñîëíöà õîðîøî âèäíû íà èçîáðàæåíèÿõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê ñ ñèììåòðè÷íî èçîãíóòûìè ðóêàâàìè, ñîñòîÿùèìè èç öåïî÷åê «çâåçäíûõ îáëàêîâ». Êàê âûÿñíèëîñü, â îñíîâíîì áëàãîäàðÿ ðàáîòàì àñòðîíîìîâ ÃÀÈØ ÌÃÓ, çâåçäíûå êîìïëåêñû ñëóæàò áàçîâîé ÿ÷åéêîé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ãàëàêòèêàõ. Ïî ïîâîäó ïðîèñõîæäåíèÿ çâåçäíûõ êîìïëåêñîâ ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî ãèïîòåç. Îäíà èç íèõ, ðàçâèòàÿ â ðàáîòàõ Þ. Í. Åôðåìîâà (ÃÀÈØ) è Áðþñà Ýëìåãðèíà (B. G. Elmegreen), îñíîâàíà íà ñàìîïðîèçâîëüíîì ðàñïàäå ìåæçâåçäíîé ñðåäû íà îòäåëüíûå îáëàêà ïîä äåéñòâèåì ãðàâèòàöèè; ýòî, òàê ñêàçàòü, «ëèíèÿ Íüþòîíà». Íî èìååòñÿ è àëüòåðíàòèâíàÿ èäåÿ, ðàçðàáîòàííàÿ ßíîì Ïàëîóøåì (J. Palouš) Â. Ã. Ñóðäèíûì è Ãèëüåðìî Òåíîðèî-Òàãëå (Guillermo Tenorio-Tagle); îíà îñíîâàíà íà ïðîöåññå ôîðìèðîâàíèÿ çâåçä, ñòèìóëèðîâàííîì èõ ïðåäûäóùèìè ïîêîëåíèÿìè. Äåéñòâèå ýòîãî ìåõàíèçìà íàïîìèíàåò ðàáîòó äâóõòàêòíîãî äâèãàòåëÿ: âñïûøêà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ìåæçâåçäíîé ñðåäå ïðèâîäèò ê ðàñøèðåíèþ ãîðÿ÷åé êàâåðíû, êîòîðàÿ ñãðåáàåò è óïëîòíÿåò ãàç â ñâåðõîáîëî÷êå, ïîäãîòàâëèâàÿ åãî ê ñëåäóþùåìó ýïèçîäó ôîðìèðîâàíèÿ çâåçä. Ïðàâäà, â îòëè÷èå îò áåíçèíîâîãî ìîòîðà, ó êîòîðîãî ïîëíûé öèêë «ñæàòèå — âñïûøêà — ðàñøèðåíèå» äëèòñÿ ñîòûå äîëè ñåêóíäû, ïîëíûé öèêë çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ïðîòåêàåò çà ñîòíè ìèëëèîíîâ ëåò (Ñóðäèí, 2001). Îòãîëîñêè ýòîãî ïðîöåññà — âîêðóã íàñ: ýòî ïîÿñ Ãóëäà (ðàçäåë 4.6) è Ìåñòíûé Ïóçûðü/Òðóáà (ðàçäåë 5.3). Äèôôåðåí-
7.4. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ
253
öèàëüíîå âðàùåíèå ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà âûòÿãèâàåò ñâåðõîáîëî÷êè â áàíàíîîáðàçíûå îòðåçêè, êîòîðûå âîñïðèíèìàþòñÿ êàê îòðåçêè ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ. Âåðîÿòíî, äëÿ ïîëíîãî îïèñàíèÿ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê â áóäóùåì áóäóò èñïîëüçîâàíû ýëåìåíòû íå òîëüêî óïîìÿíóòûõ âûøå, íî è äðóãèõ êîíêóðèðóþùèõ òåîðèé.
7.4. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ Âíåøíîñòü êàæäîé ãàëàêòèêè îïðåäåëÿåòñÿ ñàìûìè êðóïíûìè äåòàëÿìè åå ñòðîåíèÿ — ñïèðàëüíûìè ðóêàâàìè, çâåçäíûì áàëäæåì, áàðîì è àêòèâíûì ÿäðîì (åñëè îíî åñòü). Íî, ðàññìàòðèâàÿ ãàëàêòèêó «ïîä ìèêðîñêîïîì», ìû îáíàðóæèâàåì â íåé èåðàðõèþ ïîäñèñòåì, ñàìûå êðóïíûå èç êîòîðûõ — ïóçûðè, ñâåðõîáîëî÷êè è çâåçäíûå êîìïëåêñû — ìû óæå óïîìèíàëè. Îäíàêî ýòà öåïî÷êà ñòðóêòóð ïðîäîëæàåòñÿ è äàëüøå — ÷åðåç çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ ðàçíîãî êàëèáðà âïëîòü äî äâîéíûõ çâåçä. Ñîâðåìåííûå íàáëþäàåìûå ïàðàìåòðû ýòèõ ïîäñèñòåì ìîãóò ìíîãîå ðàññêàçàòü íàì (è ïîñòåïåííî ðàññêàçûâàþò) î ïðîöåññàõ, ïðîòåêàþùèõ â Ãàëàêòèêå. Íî ïîêà åùå íåêîòîðûå ìîìåíòû æèçíè çâåçäíûõ ñèñòåì ðàçíîãî ìàñøòàáà îñòàþòñÿ íåèçó÷åííûìè. 7.4.1. Ñèììåòðèÿ ôîðìû è ñèììåòðèÿ ýâîëþöèè Ñèììåòðèÿ â ïðèðîäå — ïðèçíàê êðàñîòû: áèîëîãà âîñõèùàåò ðàäèîëÿðèÿ, õèìèê ëþáóåòñÿ ôóëëåðåíîì, ôèçèê ñ äåòñêèì ëþáîïûòñòâîì èçó÷àåò ìûëüíûå ïóçûðè, àñòðîíîì ñ èçóìëåíèåì âçèðàåò íà çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ. Ïî÷òè èäåàëüíàÿ ôîðìà çâåçäíûõ ñêîïëåíèé ñóëèò ëåãêóþ ðàçãàäêó èõ ïðèðîäû. Íî ýòî íå òàê. Õîòÿ çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ — îáúåêò ïðèñòàëüíîãî âíèìàíèÿ àñòðîíîìîâ (íåêîòîðûå ïîñâÿùàþò èçó÷åíèþ ñêîïëåíèé âñþ ñâîþ íàó÷íóþ æèçíü), â ïðîèñõîæäåíèè è ýâîëþöèè ýòèõ «çâåçäíûõ ãîðîäîâ» åùå ìíîãî íåÿñíîãî. Îñîáåííî ýòî êàñàåòñÿ øàðîâûõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé — íàèáîëåå ñòàðûõ, íàèáîëåå ìàññèâíûõ è íàèáîëåå ñèììåòðè÷íûõ ñðåäè âñåõ. Ïî ìåðå èçó÷åíèÿ ýòèõ ýëåãàíòíûõ íåáåñíûõ ñîçäàíèé â íàøåé è ñîñåäíèõ ãàëàêòèêàõ, ïî ìåðå âñå áîëåå òî÷íîãî êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ èõ æèçíè íàøå âîñõèùåíèå ïðîñòðàíñòâåííîé ñèììåòðèåé çâåçäíûõ ñêîïëåíèé óñòóïàåò ìåñòî áîëåå ãëóáîêîìó ÷óâñòâó, âûçâàííîìó ñèììåòðèåé èõ ýâîëþöèîííîãî öèêëà. Äåëî â òîì, ÷òî ïðîöåññ ôîðìèðîâàíèÿ çâåçä è îñîáåííî çâåçäíûõ ñêîïëåíèé ñêðûò â íåäðàõ ãèãàíòñêèõ ãàçîâî-ïûëåâûõ îáëàêîâ. Êîãäà ýòè îáëàñòè ñòàëè äîñòóïíû äëÿ íàáëþäåíèÿ ïðè ïîìîùè èíôðàêðàñíûõ è ðàäèîòåëåñêîïîâ, êîãäà àñòðîíîìû äåéñòâèòåëüíî îáíàðóæèëè â íåäðàõ îáëàêîâ ôîðìèðóþùèåñÿ çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ,
254
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ðèñ. 7.19. Øàðîâîå çâåçäíîå ñêîïëåíèå Ìåññüå 13, íàáëþäàåìîå â ñîçâåçäèè Ãåðêóëåñ, îäíî èç êðóïíåéøèõ â Ãàëàêòèêå: îíî ñîäåðæèò îêîëî ìèëëèîíà çâåçä è èìååò äèàìåòð îêîëî 100 ïê. Ôîòî: M. Burali, T. Capecchi, M. Mancini.
ñòàëî êàçàòüñÿ, ÷òî ãëàâíàÿ ïðîáëåìà èõ ýâîëþöèè ðåøåíà. Íî, êàê âûÿñíÿåòñÿ, ïîíÿòü ñâîéñòâà çâåçäíûõ ñêîïëåíèé íåâîçìîæíî, íå ðåøèâ ïðîáëåìó èõ ñìåðòè. Æèçíåííûé öèêë ëþáîãî îðãàíèçìà âêëþ÷àåò ôîðìèðîâàíèå, ðàçâèòèå, çàòóõàíèå è ðàñïàä. Ýòà ìûñëü ñîâåðøåííî î÷åâèäíà äëÿ áèîëîãà, ïîñòîÿííî íàáëþäàþùåãî ïîëíûé æèçíåííûé öèêë ðàñòåíèé è æèâîòíûõ, íî îíà ïîêà åùå íåïðèâû÷íà äëÿ àñòðîíîìà, èáî çâåçäíûå ñèñòåìû ýâîëþöèîíèðóþò ìåäëåííî, à âîçðàñò Âñåëåííîé íå òàê óæ âåëèê. Ïîýòîìó, ðàññêàçûâàÿ î äèíàìè÷åñêîé ýâîëþöèè çâåçäíûõ ñêîïëåíèé, ìû îñîáåííî ïîäðîáíî ðàññìîòðèì ìåõàíèçìû èõ ðàçðóøåíèÿ, ïîçâîëÿþùèå ïîíÿòü íåêîòîðûå «òåìíûå» ñòîðîíû èõ æèçíè. 7.4.2. Ìíîãîîáðàçèå çâåçäíûõ ñèñòåì Âñå çâåçäû ÿâëÿþòñÿ ÷ëåíàìè òåõ èëè èíûõ ñèñòåì; äî ñèõ ïîð àñòðîíîìû íå îáíàðóæèâàëè ñâåòèë, ñâîáîäíî è â îäèíî÷êó áëóæäàþùèõ ïî Âñåëåííîé. Ñèñòåìû çâåçä ïîðàæàþò íàñ äèàïàçîíîì ìàñøòàáîâ è ðàçíîîáðàçèåì ìîðôîëîãèè: îò äâîéíûõ çâåçä äî ãèãàíòñêèõ ãàëàêòèê, ñîñòîÿùèõ èç ñîòåí ìèëëèàðäîâ ñâåòèë è èìåþùèõ ñàìûå çàìûñëîâàòûå ôîðìû.  ðÿäó ýòèõ ñèñòåì íåìàëûé äèàïàçîí çàíèìàþò çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ è àññîöèàöèè, ñîäåðæàùèå îò 102 äî 106 çâåçä.
7.4. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ
255
Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ, êàê áîëåå êîíöåíòðèðîâàííûå è ÿðêî âûðàæåííûå íà íåáå àãðåãàòû, íà÷àëè îáíàðóæèâàòü è îïèñûâàòü åùå â XVII–XVIII ââ. Íî èõ ðîëü â êðóãîâîðîòå çâåçäíîé ýâîëþöèè îñòàâàëàñü íåÿñíîé, ïîêà â XX â. íå áûëè âûäåëåíû çíà÷èòåëüíî áîëåå ðàçðåæåííûå è ìàëîçàìåòíûå ãðóïïèðîâêè ìîëîäûõ çâåçä — àññîöèàöèè, à çàòåì è êîìïëåêñû. Íûíå íîìåíêëàòóðà âíóòðèãàëàêòè÷åñêèõ çâåçäíûõ àãðåãàòîâ òàêîâà: — äâîéíûå è êðàòíûå (ò. å. òðîéíûå, ÷åòûðåõêðàòíûå è ò. ï.) çâåçäíûå ñèñòåìû; — ðàññåÿííûå çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ; — øàðîâûå çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ; — çâåçäíûå àññîöèàöèè; — çâåçäíî-ãàçîâûå êîìïëåêñû.  ãëàâàõ 2 è 3 ìû óæå ðàññêàçàëè îá ýòèõ ñèñòåìàõ ñ ôîðìàëüíîé ñòîðîíû, ìàòåìàòè÷åñêèì ÿçûêîì.  ãëàâàõ 4 è 5 ïîçíàêîìèëèñü ñ íåêîòîðûìè êîíêðåòíûìè ñèñòåìàìè. À òåïåðü êîñíåìñÿ êîñìîãîíè÷åñêèõ àñïåêòîâ, ò. å. ðàññìîòðèì íåêîòîðûå ýïèçîäû ðåàëüíîé æèçíè ðàçíîîáðàçíûõ çâåçäíûõ ãðóïï è ñêîïëåíèé.  äèíàìè÷åñêîì ñìûñëå äâîéíàÿ çâåçäà — ñèñòåìà èç äâóõ ñâåòèë, îáðàùàþùèõñÿ âîêðóã îáùåãî öåíòðà ìàññ — ÷ðåçâû÷àéíî ñòàáèëüíà. Îíà áûëà áû ïðàêòè÷åñêè âå÷íîé, åñëè áû íå âëèÿíèå ñîñåäåé è ôèçè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ åå ñîáñòâåííûõ êîìïîíåíòîâ. (Èçëó÷åíèå ãðàâèòàöèîííûõ âîëí ìû íå ðàññìàòðèâàåì — ýòî ñëàáûé ýôôåêò.) Áëèçêèå ïðîëåòû ñîñåäíèõ çâåçä, ìàññèâíûõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé è îáëàêîâ ìåæçâåçäíîãî ãàçà ïîñòåïåííî ìåíÿþò õàðàêòåð äâèæåíèÿ êîìïîíåíòîâ äâîéíîé çâåçäû: îíè ëèáî êàòàñòðîôè÷åñêè ñáëèæàþòñÿ äðóã ñ äðóãîì, ëèáî óäàëÿþòñÿ äðóã îò äðóãà è íàâñåãäà òåðÿþò ñâÿçü. Ïðè ýòîì âûïîëíÿåòñÿ ëþáîïûòíàÿ çàêîíîìåðíîñòü: ïîä äåéñòâèåì ãðàâèòàöèîííûõ âîçìóùåíèé îò ïðîëåòàþùèõ ìèìî çâåçä èçíà÷àëüíî äàëåêèå äðóã îò äðóãà êîìïîíåíòû äâîéíûõ ñèñòåì ðàñõîäÿòñÿ åùå äàëüøå, à èçíà÷àëüíî áëèçêèå — ñáëèæàþòñÿ è â êîíöå êîíöîâ ñëèâàþòñÿ. Îäíàêî ïðîöåññ ýòîò äëèòåëüíûé; âíóòðåííÿÿ ìåõàíè÷åñêàÿ óñòîé÷èâîñòü ãàðàíòèðóåò äâîéíûì çâåçäàì äîëãóþ æèçíü. Ïîýòîìó îêîëî ïîëîâèíû âñåõ çâåçä â Ãàëàêòèêå îáúåäèíåíû â äâîéíûå ñèñòåìû, ðàçìåðû êîòîðûõ ëåæàò â äèàïàçîíå îò íåñêîëüêèõ äèàìåòðîâ òèïè÷íîé çâåçäû (~109 ì) äî õàðàêòåðíîãî ìåæçâåçäíîãî ðàññòîÿíèÿ (~1016 ì). Çâåçäíûå ñèñòåìû áîëåå âûñîêîé êðàòíîñòè — òðîéíûå, ÷åòûðåõêðàòíûå è ò. ä. — ïðåäñòàâëåíû â Ãàëàêòèêå íå òàê øèðîêî. Ïðè-
256
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ðèñ. 7.20. Ñêîïëåíèå ÷ðåçâû÷àéíî ìîëîäûõ çâåçä â ñîçâåçäèè Îðèîí. Ñëåâà îïòè÷åñêèé ñíèìîê, ñïðàâà — èíôðàêðàñíûé. Ãðóïïà èç ÷åòûðåõ ÿðêèõ çâåçä — Òðàïåöèÿ Îðèîíà — óæå ïî÷òè ðàñ÷èñòèëà ïðîñòðàíñòâî âîêðóã ñåáÿ îò îñòàòêîâ ïðîòîçâåçäíîãî ãàçà. Íî áîëüøèíñòâî ÷ëåíîâ ýòîãî íîâîðîæäåííîãî êîëëåêòèâà åùå ñêðûòû â íåäðàõ òåìíîãî îáëàêà, ëåæàùåãî çà Òðàïåöèåé. Ôîòî: êîñìè÷åñêèé òåëåñêîï «Õàááë», NASA/ESA.
÷èíà î÷åâèäíà: â îòëè÷èå îò óñòîé÷èâîãî ïåðèîäè÷åñêîãî äâèæåíèÿ äâîéíîé çâåçäû ñèñòåìà èç òðåõ è áîëåå òåë èìååò õàîòè÷åñêóþ âíóòðåííþþ äèíàìèêó, ÷ðåâàòóþ âçàèìíûìè ñáëèæåíèÿìè êîìïîíåíòîâ è îáìåíîì ìåæäó íèìè ýíåðãèåé (ðàçäåë 3.4).  ðåçóëüòàòå êðàòíàÿ ñèñòåìà áûñòðî ðàñïàäàåòñÿ íà ñåðèþ îäèíî÷íûõ è äâîéíûõ çâåçä. Î÷åâèäíî, èìåííî òàêàÿ ñóäüáà îæèäàåò Òðàïåöèþ Îðèîíà (Q1 Ori), ÷åòûðå ìàññèâíûõ êîìïîíåíòà êîòîðîé íà íåáå ðàñïîëîæåíû ïî÷òè íà îäèíàêîâîì ðàññòîÿíèè äðóã îò äðóãà, äà è â ïðîñòðàíñòâå òàêæå íàõîäÿòñÿ íà ñðàâíèìûõ ðàññòîÿíèÿõ (Âèòðè÷åíêî, 2004). Òàêèå ñèñòåìû ñ íåðåãóëÿðíûìè îðáèòàìè êîìïîíåíòîâ, íåóñòîé÷èâûå îòíîñèòåëüíî ñàìîïðîèçâîëüíîãî ðàñïàäà, ìîæíî íàçûâàòü õàîòè÷åñêèìè. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, çâåçäíûå ñèñòåìû âûñîêîé êðàòíîñòè, èìåþùèå èåðàðõè÷åñêóþ ñòðóêòóðó, ìîãóò æèòü äîëãî. Èõ ÷ëåíû óïàêîâàíû ïî ïðèíöèïó ìàòðåøêè: íàïðèìåð, â øèðîêîé ïàðå çâåçä îäèí èç êîìïîíåíòîâ èëè äàæå îáà ìîãóò áûòü òåñíûìè äâîéíûìè ñèñòåìàìè.  äèíàìè÷åñêîì ñìûñëå ïîäîáíûå àãðåãàòû âåñüìà óñòîé÷èâû, ïîñêîëüêó è âíóòðåííèå, è âíåøíèå ïîäñèñòåìû âåäóò ñåáÿ ïðàêòè÷åñêè êàê äâîéíûå. Ïðîñòåéøèé ïðèìåð äâóõóðîâíåâîé ñèñòåìû äåìîíñòðèðóþò Ìèöàð (æ UMa) è Àëüêîð (g UMa èëè 80 UMa) â Ðó÷êå Êîâøà Áîëüøîé Ìåäâåäèöû: äàæå â íåáîëüøîé òåëåñêîï Ìèöàð ðàçäåëÿåò-
257
7.4. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ 1
B
Ori
Àëüêîð À
D
A
Ìèöàð
Ñ
Lyr
B Gem
À
Ñ
B
À Ñ D
B
Ðèñ. 7.21. Ñòðóêòóðà íåêîòîðûõ êðàòíûõ çâåçä. Òðàïåöèÿ Îðèîíà (Q1 Ori), Ìèöàð—Àëüêîð â Áîëüøîé Ìåäâåäèöå, Ýïñèëîí Ëèðû (e Lyr) è Êàñòîð (a Gem) â Áëèçíåöàõ.
ñÿ íà äâà êîìïîíåíòà — A è B. Ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî ó ýòîé òðîéíîé çâåçäû èåðàðõè÷åñêèé òèï «2 + 1». Áîëåå ñëîæíûé ïðèìåð òèïà «2 + 2» äåìîíñòðèðóåò ñèñòåìà Ýïñèëîí Ëèðû, ñîñòîÿùàÿ èç äâóõ òåñíûõ äâîéíûõ çâåçä; îáû÷íî åå òàê è íàçûâàþò — «äâîéíàÿ äâîéíàÿ». Îäíà ïàðà îò äðóãîé ëåãêî ðàçðåøàþòñÿ â áèíîêëü, à êîìïîíåíòû ïàð âèäíû ïî îòäåëüíîñòè â òåëåñêîï. Èçâåñòíû ïðèìåðû è áîëåå âûñîêîé èåðàðõè÷íîñòè: îäíà èç ñàìûõ ñëîæíûõ ñèñòåì — çâåçäà Êàñòîð (Àëüôà Áëèçíåöîâ) — èìååò øåñòü êîìïîíåíòîâ, ðàñïðåäåëåííûõ íà òðåõ óðîâíÿõ èåðàðõèè: ò. å. ýòî ñèñòåìà òèïà «(2 + 2) + 2». Åå ÿðêèå êîìïîíåíòû A è B — ñïåêòðàëüíûå äâîéíûå, à òóñêëûé êîìïîíåíò C — àëãîëü, ò. å. çàòìåííàÿ äâîéíàÿ. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïðèâåäåííûå çäåñü ïðèìåðû â íåêîòîðîì ñìûñëå óñëîâíû. Íàïðèìåð, ñèñòåìà Ìèöàð—Àëüêîð òðàäèöèîííî ïðåäñòàâëÿåòñÿ êàê òðîéíàÿ. Íî â äåéñòâèòåëüíîñòè äàâíî èçâåñòíî, ÷òî Ìèöàð A — äâîéíàÿ çâåçäà: ýòî ïåðâàÿ ñïåêòðàëüíàÿ äâîéíàÿ, îòêðûòàÿ Ýäóàðäîì Ïèêåðèíãîì åùå â 1889 ã. Ïîçæå îáíàðóæèëàñü ñïåêòðàëüíàÿ äâîéñòâåííîñòü è Ìèöàðà B. Íåäàâíî, â äåêàáðå 2009 ã., ó Àëüêîðà òîæå áûë îòêðûò ñïóòíèê — êðàñíûé êàðëèê. Òàê ÷òî â ãðóïïå Ìèöàð—Àëüêîð ñîäåðæèòñÿ êàê ìèíèìóì 6 çâåçä. À ñ äðóãîé ñòîðîíû, äî ñèõ ïîð íåò óâåðåííîñòè, ÷òî Ìèöàð è Àëüêîð ãðàâèòàöèîííî ñâÿçàíû äðóã ñ äðóãîì. Åñëè ýòà ñâÿçü áóäåò íàäåæíî äîêàçàíà, òî îêàæåòñÿ, ÷òî ñèñòåìà Ìèöàð—Àëüêîð ïî ñëîæíîñòè ñâîåé ñòðóêòóðû íå óñòóïàåò Êàñòîðó. Âïðî÷åì, è îò Êàñòîðà åùå ìîæíî îæèäàòü ñþðïðèçîâ. Ñèñòå-
258
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
ìà å Lyr òàêæå îêàçàëàñü ñëîæíåå, ÷åì êàæåòñÿ: â íåé íåäàâíî îáíàðóæåí ïÿòûé ÷ëåí (çâåçäà C îêàçàëàñü äâîéíîé). Íó à Òðàïåöèÿ Îðèîíà âîîáùå ïîðàæàåò ñâîåé íàñåëåííîñòüþ: êîìïîíåíò D äâîéíîé, A è C — òðîéíûå, à B ñîñòîèò èç øåñòè çâåçä! ×òî êàñàåòñÿ èåðàðõè÷åñêèõ ñèñòåì, òî âûøå ìû âèäåëè ïðèìåðû òðåõóðîâíåâûõ (Êàñòîð è Ìèöàð—Àëüêîð), íî âñòðå÷àþòñÿ è áîëåå ñëîæíûå. Ïðèìåðû êðàòíûõ ñèñòåì ñ ÷åòûðüìÿ óðîâíÿìè èåðàðõèè äàþò DN UMa (5 êîìïîíåíòîâ), â Cap (6 êîìïîíåíòîâ) è n Sco (7 êîìïîíåíòîâ). Âîîáùå ãîâîðÿ, â êàòàëîãàõ êðàòíûõ çâåçä ïðèñóòñòâóþò äàæå 8-êðàòíûå ñâåòèëà, íî ôèçè÷åñêàÿ ñâÿçü ìåæäó âñåìè èõ êîìïîíåíòàìè ïîêà íå äîêàçàíà, ò. å. îíè ìîãóò áûòü ðåçóëüòàòîì ñëó÷àéíîé ïðîåêöèè íà íåáå. À íàñêîëüêî ñëîæíûìè â ïðèíöèïå ìîãóò áûòü èåðàðõè÷åñêèå çâåçäíûå ñèñòåìû? Ïîñêîëüêó êàæäûé áîëåå âûñîêèé óðîâåíü èåðàðõèè òðåáóåò ñóùåñòâåííîãî óâåëè÷åíèÿ ðàçìåðà ñèñòåìû, åå ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü ñ âîçðàñòàíèåì êîëè÷åñòâà óðîâíåé áûñòðî ïàäàåò, è òàêîé çâåçäíûé àãðåãàò ñëàáî ñîïðîòèâëÿåòñÿ ðàçðóøèòåëüíîìó äåéñòâèþ ïðèëèâíûõ ñèë â ãàëàêòèêå. Ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî â íàøåé ãàëàêòèêå íàñåëåííîñòü èåðàðõè÷åñêèõ àãðåãàòîâ îãðàíè÷åíà íåñêîëüêèìè äåñÿòêàìè çâåçä (Ñóðäèí, 1997). Âñå áîëåå íàñåëåííûå çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ èìåþò õàîòè÷åñêóþ ñòðóêòóðó è äèíàìèêó. Òèïè÷íîå ñêîïëåíèå çâåçä — Ïëåÿäû (Ñòîæàðû). Ýòè ñèìïàòè÷íàÿ ãðóïïà ñâåòèë çíàêîìà ìíîãèì, ïîñêîëüêó ëåãêî îòûñêèâàåòñÿ íà çèìíåì íåáå â ñîçâåçäèè Òåëåö. Õîòÿ íàø ãëàç çàìå÷àåò â íåé â ëó÷øåì ñëó÷àå 5–6 ñëàáåíüêèõ çâåçäî÷åê, â òåëåñêîï èõ ìîæíî íàñ÷èòàòü íåñêîëüêî ñîòåí, à äåòàëüíîå èññëåäîâàíèå ïîêàçûâàåò, ÷òî â ýòîì ñêîïëåíèè íå ìåíåå 1000 çâåçä. Ýòî îáû÷íîå ðàññåÿííîå ñêîïëåíèå. Òåðìèí «ðàññåÿííîå» â îòíîøåíèè ê òàêèì ñêîïëåíèÿì ñâÿçàí ñ èõ ðûõëûì âíåøíèì âèäîì è â îñíîâíîì îáóñëîâëåí ìàëûì ÷èñëîì çâåçä, ñðåäè êîòîðûõ âñåãî íåñêîëüêî ÿðêèõ, îïðåäåëÿþùèõ «ëèöî» ñêîïëåíèÿ.  äèñêå Ãàëàêòèêè ïîðÿäêà 100 òûñ. òàêèõ ñêîïëåíèé, íî èç íèõ ïîêà îáíàðóæåíî îêîëî 2200, à áîëåå èëè ìåíåå äåòàëüíî èçó÷åíû ëèøü îêîëî 1500. Âîçðàñòû ýòèõ ñêîïëåíèé çàêëþ÷åíû â èíòåðâàëå îò 106 äî 1010 ëåò, íî ïðåîáëàäàþò ìîëîäûå: ñðåäè èçó÷åííûõ ñêîïëåíèé âñåãî îêîëî 50 èìåþò âîçðàñò áîëåå 1 ìëðä ëåò. Òèïè÷íûé ðàçìåð ðàññåÿííîãî ñêîïëåíèÿ — íåñêîëüêî ïàðñåêîâ. Èõ ìàññû èçìåðÿþòñÿ ïîêà íå î÷åíü òî÷íî, ñ íåîïðåäåëåííîñòüþ îêîëî 20%; â öåëîì îíè ëåæàò â èíòåðâàëå îò 102 äî 104 ÌA, à ñðåäíÿÿ ìàññà ðàññåÿííîãî ñêîïëåíèÿ áëèçêà ê 103 MA. Ñàìûå ìîëîäûå ðàññåÿííûå ñêîïëåíèÿ âîçðàñòîì îò 1 äî 10 ìëí ëåò åùå ïîãðóæåíû â ðîäèòåëüñêîå ãàçîâîå îáëàêî.  îñíîâíîì ýòè
7.4. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ
259
Ðèñ. 7.22. Ðàññåÿííîå ñêîïëåíèå Ïëåÿäû (öåíòðàëüíàÿ ÷àñòü). Åãî âîçðàñò îêîëî 100 ìëí ëåò, è îíî åùå íå óñïåëî ñèëüíî ïðîýâîëþöèîíèðîâàòü. Îáëàêà ìåæçâåçäíîãî ãàçà, ðàññåèâàþùèå ñâåò ÿðêèõ çâåçä ñêîïëåíèÿ, íå èìåþò ê íåìó îòíîøåíèÿ: îíè ëåæàò ìåæäó Çåìëåé è Ïëåÿäàìè. Ôîòî: NASA/ESA/ AURA/Caltech.
«èíêóáàòîðû» çâåçä ñîñðåäîòî÷åíû â ñïèðàëüíûõ ðóêàâàõ Ãàëàêòèêè, ò. å. òàì æå, ãäå ôîðìèðóþòñÿ ãèãàíòñêèå ìîëåêóëÿðíûå îáëàêà. Íî ñêîïëåíèÿ âîçðàñòîì áîëåå 30 ìëí ëåò óæå ïî÷òè íå ñâÿçàíû ñ ãàçîì. À íàèáîëåå ñòàðûå ðàññåÿííûå ñêîïëåíèÿ, âîçðàñòîì 8–12 ìëðä ëåò, ïî ìàññå è õèìè÷åñêîìó ñîñòàâó çâåçä ïðèáëèæàþòñÿ ê øàðîâûì ñêîïëåíèÿì è íàñåëÿþò âíåøíþþ ÷àñòü äèñêà Ãàëàêòèêè, ïðàêòè÷åñêè ëèøåííóþ ìåæçâåçäíîãî ãàçà. Øàðîâûå çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ âñòðå÷àþòñÿ êàê â äèñêå Ãàëàêòèêè, òàê è âî âñåì îáúåìå îêðóæàþùåãî äèñê ãàëî. Èõ äèàìåòðû, îãðàíè÷åííûå ïðèëèâíûìè ñèëàìè Ãàëàêòèêè, çàêëþ÷åíû â ïðåäåëàõ îò 10 äî 500 ïê. Ìàññû áîëüøèíñòâà øàðîâûõ ñêîïëåíèé ëåæàò â äèàïàçîíå îò 104 äî 2 · 106 MA. Èìåííî áîëüøîìó êîëè÷åñòâó çâåçä ýòè ñêîïëåíèÿ îáÿçàíû ñâîåé ïðàâèëüíîé ôîðìîé. Ïî ýòîé æå ïðè÷èíå, à òàêæå â ñèëó ñâîåãî ïîëîæåíèÿ âäàëè îò íåïðîçðà÷íîãî ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà øàðîâûå ñêîïëåíèÿ âèäíû â ñàìûõ äàëüíèõ óãîëêàõ Ãàëàêòèêè. Ñåé÷àñ â êàòàëîãè çàíåñåíî îêîëî 160 øàðîâûõ ñêîïëåíèé;
260
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
âñåãî èõ â Ãàëàêòèêå, êàê ïîêàçûâàþò ðàñ÷åòû, íå áîëåå 180 (Ñóðäèí, 1994). Òàêèì îáðàçîì, ñèñòåìà øàðîâûõ ñêîïëåíèé Ãàëàêòèêè âûÿâëåíà ñ óíèêàëüíîé ïîëíîòîé — ïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ.  äðóãèõ ãàëàêòèêàõ êîëè÷åñòâî øàðîâûõ ñêîïëåíèé ïðèáëèçèòåëüíî ïðîïîðöèîíàëüíî ìàññå ñàìîé ãàëàêòèêè: â êàðëèêîâûõ ãàëàêòèêàõ èõ íåñêîëüêî èëè âîâñå íåò, à â ãèãàíòñêèõ ñèñòåìàõ — ìíîãèå òûñÿ÷è: íàïðèìåð, â êðóïíîé ýëëèïòè÷åñêîé ãàëàêòèêå M87 îêîëî 13 òûñ. øàðîâûõ ñêîïëåíèé. Âîçðàñò øàðîâûõ ñêîïëåíèé áëèçîê ê õàááëîâñêîìó âîçðàñòó Âñåëåííîé (îêîëî 14 ìëðä ëåò). Íà ýòî óêàçûâàþò íåñêîëüêî íåçàâèñèìûõ ôàêòîâ, íàïðèìåð, «õèìè÷åñêèå ÷àñû», ò. å. íàêîïëåíèå â ìåæçâåçäíîì âåùåñòâå Ãàëàêòèêè õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ òÿæåëåå ãåëèÿ, âûáðàñûâàåìûõ óìèðàþùèìè çâåçäàìè; ÷åì ïîçæå ñôîðìèðîâàëàñü èç ýòîãî âåùåñòâà çâåçäà, òåì áîëüøå â åå ñîñòàâå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ (êèñëîðîäà, óãëåðîäà, àçîòà è äð.). Çâåçäû øàðîâûõ ñêîïëåíèé íàèáîëåå áåäíû òàêèìè ýëåìåíòàìè, à çíà÷èò, îíè î÷åíü ñòàðûå. Äðóãîå óêàçàíèå íà ïðåêëîííûé âîçðàñò øàðîâûõ ñêîïëåíèé — ñèëüíî âûòÿíóòûå ãàëàêòè÷åñêèå îðáèòû ìíîãèõ èç íèõ; ýòî ãîâîðèò î òîì, ÷òî îíè ðîäèëèñü èëè âîøëè â ñîñòàâ Ãàëàêòèêè ðàíåå òîé ýïîõè, êîãäà îíà ïðèøëà â ñòàöèîíàðíîå ñîñòîÿíèå. Ýòè è äðóãèå ôàêòû óêàçûâàþò, ÷òî ýïîõà ôîðìèðîâàíèÿ áîëüøèíñòâà øàðîâûõ ñêîïëåíèé ïðåäøåñòâîâàëà ýïîõå ôîðìèðîâàíèÿ Ãàëàêòèêè èëè ñîâïàäàëà ñ íåé. Îò øàðîâûõ è ðàññåÿííûõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé, ÷ëåíû êîòîðûõ ïðî÷íî ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé âçàèìíûì ïðèòÿæåíèåì, ïðèíöèïèàëüíî îòëè÷àþòñÿ çâåçäíûå àññîöèàöèè è êîìïëåêñû, èìåþùèå áîëüøóþ ïðîòÿæåííîñòü è î÷åíü íèçêóþ ïëîòíîñòü, íî äåìîíñòðèðóþùèå ïðè ýòîì íåñîìíåííóþ âçàèìíóþ ãåíåòè÷åñêóþ ñâÿçü ñâîèõ ÷ëåíîâ. Íàèáîëåå èçâåñòíû ãðóïïèðîâêè ìîëîäûõ ìàññèâíûõ çâåçä ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ O è B, îòêðûòûå â ïåðâîé ïîëîâèíå XX â. è íàçâàííûå ÎÂ-àññîöèàöèÿìè.  îòëè÷èå îò çâåçäíûõ ñêîïëåíèé, îíè íå äåìîíñòðèðóþò çàìåòíîé êîíöåíòðàöèè çâåçä ê öåíòðó ñèñòåìû è «íà ãëàç» íå âûäåëÿþòñÿ â çâåçäíîì ïîëå, îäíàêî ñîâìåñòíîå ôîðìèðîâàíèå èõ ÷ëåíîâ íå âûçûâàåò ñîìíåíèÿ. Ýòè ðàçðåæåííûå çâåçäíûå êîëëåêòèâû ñîäåðæàò îò íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ äî íåñêîëüêèõ ñîòåí ãîëóáûõ çâåçä è íàâåðíÿêà òûñÿ÷è ìåíåå ìàññèâíûõ çâåçä, êîòîðûå íå òàê ëåãêî çàìåòèòü. Èõ äèàìåòðû ñîñòàâëÿþò îò 15 äî 300 ïê, ÷òî çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàåò ðàçìåðû ðàññåÿííûõ ñêîïëåíèé ñ òàêîé æå õàðàêòåðíîé ìàññîé. Íàêîíåö, åùå áîëåå ðûõëûìè ÿâëÿþòñÿ îáøèðíûå ãðóïïèðîâêè ìîëîäûõ çâåçä, íàñåëÿþùèå çâåçäíî-ãàçîâûå êîì-
7.4. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ
261
ïëåêñû (Åôðåìîâ, 1989); èõ ðàçìåðû áëèçêè ê 1000 ïê; ïî ñóùåñòâó, ýòî ôðàãìåíòû ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ Ãàëàêòèêè. Åñëè ýòè îáëàñòè îõâà÷åíû áóðíûì çâåçäîîáðàçîâàíèåì è ñîäåðæàò ìíîãî ìîëîäûõ ÿðêèõ çâåçä, òî èõ íàçûâàþò ñâåðõàññîöèàöèÿìè. 7.4.3. Ðîæäåíèå è ìîëîäîñòü çâåçäíûõ êîëëåêòèâîâ Êàêîâà ñâÿçü ìåæäó îïèñàííûìè âûøå ãðóïïèðîâêàìè çâåçä è êàêîâà èõ ðîëü â æèçíè Ãàëàêòèêè? Èìåííî ýòè âîïðîñû èíòåðåñóþò ñåé÷àñ àñòðîíîìîâ, èçó÷àþùèõ çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ. Äåëî â òîì, ÷òî, íàó÷èâøèñü ïðè ïîìîùè èíôðàêðàñíûõ òåëåñêîïîâ çàãëÿäûâàòü â íåäðà êîñìè÷åñêèõ îáëàêîâ, òóäà, ãäå ðîæäàþòñÿ çâåçäû, ìû óâèäåëè, ÷òî ðîæäàþòñÿ îíè áîëüøèìè ãðóïïàìè. Íî ÷òî ïðîèñõîäèò ñ ýòèìè ãðóïïàìè äàëüøå?  ïåðèîä ôîðìèðîâàíèÿ îíè âûãëÿäÿò î÷åíü ïëîòíûìè è ñòàáèëüíûìè, íî ïî÷åìó æå òîãäà ýòè ãðóïïû êðåïêî ñâÿçàííûõ ãðàâèòàöèåé çâåçä íå ñîõðàíÿþòñÿ íàäîëãî? Ïî÷åìó äîëÿ çâåçä Ãàëàêòèêè, îáúåäèíåííûõ â ñîñòàâå çâåçäíûõ ñêîïëåíèé, ÷ðåçâû÷àéíî ìàëà (~10–3)?  ïîèñêå îòâåòîâ íà ýòè âîïðîñû â ïîñëåäíèå ãîäû îáíàðóæèëîñü ìíîãî èíòåðåñíîãî. Îêàçàëîñü, ÷òî â ïåðèîä ôîðìèðîâàíèÿ è ðàííåé ìîëîäîñòè çâåçäíîãî ñêîïëåíèÿ ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî ÿâëåíèé, âåñüìà áûñòðî ïðèâîäÿùèõ ê åãî ÷àñòè÷íîìó èëè äàæå ïîëíîìó ðàçðóøåíèþ. Íàèáîëåå âàæíîå èç íèõ — âûáðîñ èç ôîðìèðóþùåãîñÿ ñêîïëåíèÿ îñòàòêîâ ìåæçâåçäíîãî ãàçà. Ýòî ïðîèñõîäèò ñðàçó ïîñëå ðîæäåíèÿ íàèáîëåå ìàññèâíûõ çâåçä, îáëàäàþùèõ î÷åíü ìîùíûì èçëó÷åíèåì, ñïîñîáíûì ðàçîãðåòü è äàæå èîíèçîâàòü ïðîòîçâåçäíûé ãàç. Îáðàçîâàâøèéñÿ ãîðÿ÷èé ïëàçìåííûé øàð ñâîèì âûñîêèì äàâëåíèåì ðàçðóøàåò ðîäèòåëüñêîå îáëàêî, è íîâîðîæäåííàÿ ãðóïïà çâåçä îêàçûâàåòñÿ «èçúÿòîé» èç òîé «ãðàâèòàöèîííîé ëîâóøêè», êîòîðîé ñëóæèëî ìàññèâíîå îáëàêî. Ïðåäîñòàâëåííóþ ñàìîé ñåáå ãðóïïó íîâîðîæäåííûõ çâåçä îæèäàåò òðè âîçìîæíûõ èñõîäà: à) ñêîðîñòè õàîòè÷åñêîãî äâèæåíèÿ çâåçä òàê âåëèêè, ÷òî îíè ïðåîäîëåâàþò âçàèìíîå ïðèòÿæåíèå è ðàçëåòàþòñÿ îò ìåñòà ðîæäåíèÿ íàâñåãäà: îáðàçóåòñÿ ðàñøèðÿþùååñÿ «îáëàêî» ìîëîäûõ ñâåòèë — àññîöèàöèÿ; á) âçàèìíîãî ïðèòÿæåíèÿ çâåçä äîñòàòî÷íî, ÷òîáû óäåðæàòü èõ âìåñòå: îáðàçóåòñÿ ãðàâèòàöèîííî ñâÿçàííàÿ ñèñòåìà — çâåçäíîå ñêîïëåíèå; â) ìåäëåííî äâèæóùèåñÿ çâåçäû îñòàþòñÿ íà ìåñòå è ôîðìèðóþò ãðàâèòàöèîííî ñâÿçàííîå ñêîïëåíèå, à áîëåå «øóñòðûå» ñâåòèëà ðàçëåòàþòñÿ â âèäå àññîöèàöèè. Î÷åâèäíî, â çàâèñèìîñòè îò êîíêðåòíûõ óñëîâèé â ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ðåàëèçóþòñÿ âñå òðè âàðèàí-
262
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ðèñ. 7.23. Ðàññåÿííîå ñêîïëåíèå Ìåññüå 7 â ñîçâåçäèè Ñêîðïèîí íàáëþäàåòñÿ íà ôîíå áîëåå äàëåêèõ çâåçä öåíòðàëüíîé îáëàñòè Ãàëàêòèêè. Âîçðàñò ýòîãî ñêîïëåíèÿ îêîëî 250 ìëí ëåò, âïîëíå çðåëûé äëÿ ðàññåÿííîãî ñêîïëåíèÿ.
òà. Íàáëþäåíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî íåðåäêî çâåçäíîå ñêîïëåíèå íàõîäèòñÿ â öåíòðå àññîöèàöèè, à îíà ñàìà ïðåäñòàâëÿåò êàê áû êîðîíó ñêîïëåíèÿ, çâåçäû â êîòîðîé ñëàáî ñâÿçàíû ãðàâèòàöèåé êàê ñî ñêîïëåíèåì, òàê è äðóã ñ äðóãîì. Ó íåêîòîðûõ ÎÂ-àññîöèàöèé ïî èçìåðåííûì äâèæåíèÿì çâåçä îáíàðóæåíû ïðèçíàêè ðàñøèðåíèÿ ñî ñêîðîñòüþ 7–10 êì/ñ. Ïðè ýòîì õàðàêòåðíîå âðåìÿ ðàñøèðåíèÿ (ò. å. ðàçìåð, äåëåííûé íà ñêîðîñòü) ñîñòàâëÿåò 2–5 ìëí ëåò, ïîýòîìó ÷åðåç íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ëåò ïîñëå ðîæäåíèÿ òàêàÿ àññîöèàöèÿ ïîëíîñòüþ ðàñòâîðÿåòñÿ â îêðóæàþùåì ïîëå çâåçä. Íàøè ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî èìåííî òàêèì ïóòåì — ÷åðåç ðàñøèðÿþùèåñÿ àññîöèàöèè — áîëüøèíñòâî çâåçä ïîïàäàåò â ãàëàêòè÷åñêèé äèñê; â ñî-
7.4. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ
263
Ðèñ. 7.24. Òóìàííîñòü Ðîçåòêà (NGC 2237-39, 2244, 2246 èëè Caldwell 49) — î÷åíü êðàñèâûé îáúåêò äèàìåòðîì îêîëî 30 ïê, õîðîøî èçâåñòíûé ëþáèòåëÿì àñòðîíîìèè.  öåíòðå «ðîçåòêè» ðàñïîëàãàåòñÿ ìîëîäîå çâåçäíîå ñêîïëåíèå, êîòîðîå ðàçîãðåëî îêðóæàþùèé ãàç è óæå èçãíàëî åãî èç öåíòðàëüíîé ÷àñòè îáëàêà.
ñòàâå ñêîïëåíèé îñòàåòñÿ èõ ìåíüøàÿ ÷àñòü (Ñóðäèí, 1995; Moskal, Surdin, 1998). Íî èñòîðèÿ «ðàçðóøèòåëüíîé ìîëîäîñòè» ñêîïëåíèÿ íà ýòîì íå çàêàí÷èâàåòñÿ. Ìåäëåííûå çâåçäû, íå ñïîñîáíûå ïðåîäîëåòü âçàèìíîå ïðèòÿæåíèå, íà÷èíàþò ïðèáëèæàòüñÿ äðóã ê äðóãó è âçàèìîäåéñòâîâàòü âñå ñèëüíåå. Ïðîèñõîäÿùèé ïðè ýòîì ïðîöåññ îáìåíà ýíåðãèåé ìåæäó çâåçäàìè âïåðâûå áûë îïèñàí íà ñîâðåìåííîì ìàòåìàòè÷åñêîì ÿçûêå àíãëèéñêèì àñòðîíîìîì Ä. Ëèíäåí-Áåëëîì â 1967 ã. è íàçâàí «áóðíîé ðåëàêñàöèåé» (ñì. ðàçäåë 3.10). Íî ïåðâàÿ ìûñëü îá ýòîì ïðîöåññå ðîäèëàñü åùå ó îòöà òåîðèè ãðàâèòàöèè… Ñòîèò ëè íàïîìèíàòü, ÷òî Èñààê Íüþòîí îáëàäàë ïîðàçèòåëüíûì ôèçè÷åñêèì ÷óòüåì.  èçâåñòíûõ ïèñüìàõ Ðè÷àðäó Áåíòëè îí âûñêàçàë íåñêîëüêî çàìå÷àòåëüíûõ èäåé, â ÷àñòíîñòè èäåþ î ãðàâèòàöèîííîé íåóñòîé÷èâîñòè îäíîðîäíîãî âåùåñòâà. Òàì æå îí íàðèñîâàë óìîçðèòåëüíóþ êàðòèíó, ôàêòè÷åñêè ïðåäâîñõèòèâøóþ òåîðèþ çâåçäíîé ðåëàêñàöèè.  ïåðâîì, íàèáîëåå èçâåñòíîì ïèñüìå Áåíòëè îò 10 äåêàáðÿ 1692 ã., ôîðìóëèðóÿ èäåþ î ãðàâèòàöèîííîé íåóñòîé÷è-
264
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
âîñòè, Íüþòîí îïèñàë èäåàëüíóþ êàðòèíó êîëëàïñà: «Ìíå ïðåäñòàâëÿåòñÿ, ÷òî åñëè áû âåùåñòâî íàøåãî Ñîëíöà è ïëàíåò, äà è âñå âåùåñòâî Âñåëåííîé áûëî áû ðàâíîìåðíî ðàññåÿíî ïî âñåìó íåáó è êàæäàÿ ÷àñòèöà îáëàäàëà áû âíóòðåííå ïðèñóùèì åé òÿãîòåíèåì êî âñåì îñòàëüíûì, à âñå ïðîñòðàíñòâî, ïî êîòîðîìó áûëî áû ðàññåÿíî ýòî âåùåñòâî, áûëî áû êîíå÷íûì, òî âíå ýòîãî ïðîñòðàíñòâà âåùåñòâî ïîä äåéñòâèåì ñâîåãî òÿãîòåíèÿ ñòðåìèëîñü áû êî âñåìó âåùåñòâó âíóòðè íåãî è, ñëåäîâàòåëüíî, ïàäàëî áû ê öåíòðó ïðîñòðàíñòâà è îáðàçîâàëî áû òàì îäíó ãèãàíòñêóþ ñôåðè÷åñêóþ ìàññó». Íî óæå â ÷åòâåðòîì ïèñüìå îò 25 ôåâðàëÿ 1693 ã. âåëèêèé ôèçèê ðàçâèâàåò êàðòèíó êîëëàïñà ïðîòîçâåçäíîãî âåùåñòâà äî áîëåå ðåàëèñòè÷åñêîãî óðîâíÿ: «Îäíàêî ìàòåðèÿ ïðè ïàäåíèè ìîãëà áû ñîáèðàòüñÿ â ìíîæåñòâî êðóãëûõ ìàññ, íàïîäîáèå òåë ïëàíåò, à òå, ïðèòÿãèâàÿ äðóã äðóãà, ìîãëè áû îáðåñòè íàêëîííîñòü ñïóñêà è â ðåçóëüòàòå ïàäàòü íå íà áîëüøîå öåíòðàëüíîå òåëî, à â ñòîðîíå îò íåãî, è, îïèñàâ âîêðóã íåãî ïîëóêðóã, ñíîâà íà÷àòü ïîäíèìàòüñÿ òåìè æå øàãàìè è ñòóïåíÿìè äâèæåíèÿ è ñêîðîñòè, êàêèìè äî òîãî îíè îïóñêàëèñü, íà ìàíåð êîìåò, îáðàùàþùèõñÿ âîêðóã Ñîëíöà». (Öèò. ïî: Äàíèëîâ Þ. À. Íüþòîí è Áåíòëè // Âîïðîñû èñòîðèè åñòåñòâîçíàíèÿ è òåõíèêè. 1993. ¹ 1. Ñ. 30.) Êàê èçâåñòíî, ïðîëåòàþùèå ÷åðåç âíóòðåííèå îáëàñòè Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû êîìåòû ïðè ñëó÷àéíîì âçàèìîäåéñòâèè ñ ïëàíåòàìè ÷àñòî èçìåíÿþò ñâîþ òðàåêòîðèþ òàê, ÷òî íàâñåãäà óõîäÿò çà ïðåäåëû ïëàíåòíîé ñèñòåìû. Òàêàÿ æå ñóäüáà æäåò ìíîãèå çâåçäû, ïðîõîäÿùèå áëèç öåíòðà ñêîïëåíèÿ â ïåðèîä åãî ïåðâîíà÷àëüíîãî ñæàòèÿ: âåäü ïðè äâèæåíèè â íåñòàöèîíàðíîì ãðàâèòàöèîííîì ïîëå ýíåðãèÿ ÷àñòèö íå ñîõðàíÿåòñÿ. ×èñëåííûå ìîäåëè ïîêàçûâàþò, ÷òî îò 5 äî 30% âñåõ çâåçä ïîñëå ýòîãî íàâñåãäà ïîêèäàþò ñêîïëåíèå ñ âåñüìà áîëüøèìè ñêîðîñòÿìè. À âñëåä çà ýòèì ïðîèñõîäÿò ñîáûòèÿ èíîãî ðîäà, íî èìåþùèå òå æå ïîñëåäñòâèÿ. Çíà÷èòåëüíàÿ äîëÿ ìàññèâíûõ íîâîðîæäåííûõ çâåçä âõîäèò â ñîñòàâ òåñíûõ äâîéíûõ ñèñòåì, êîìïîíåíòû êîòîðûõ îáðàùàþòñÿ âîêðóã öåíòðà ìàññ ñî ñêîðîñòüþ â äåñÿòêè êèëîìåòðîâ â ñåêóíäó. Ñïóñòÿ íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ëåò ïîñëå ðîæäåíèÿ îäíà èç çâåçä â êàæäîé ïàðå çàêàí÷èâàåò ñâîþ ýâîëþöèþ, âçðûâàåòñÿ êàê ñâåðõíîâàÿ è òåðÿåò ïðè ýòîì áîëüøóþ ÷àñòü ñâîåé ìàññû, à åå ñîñåäêà, èìåÿ ñîëèäíóþ îðáèòàëüíóþ ñêîðîñòü è íåîæèäàííî ëèøèâøèñü ïðèòÿæåíèÿ ïàðòíåðà, âûëåòàåò, êàê êàìåíü èç ïðàùè, è ïîêèäàåò ñêîïëåíèå íàâñåãäà. Âïðî÷åì, åùå äî ðàçðóøåíèÿ îäíîé èç çâåçä, òåñíàÿ äâîéíàÿ ñèñòåìà ìîæåò ñûãðàòü ðîëü ðîãàòêè: ïðè ñëó÷àéíîé âñòðå÷å â ïðîñòðàíñòâå îäèíî÷íîé çâåçäû ñ äâîéíîé (èëè äâóõ äâîéíûõ ñèñòåì) âåñüìà
265
7.4. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ
Ðèñ. 7.25.  ðåçóëüòàòå òåñíîãî ñáëèæåíèÿ òðåõ îäèíî÷íûõ çâåçä â ýòîé êîìïüþòåðíîé ìîäåëè äâå áîëåå ìàññèâíûå èç íèõ îáðàçîâàëè äâîéíóþ ñèñòåìó, à òðåòüÿ ñ âîçðîñøåé ñêîðîñòüþ ïîêèíóëà ìåñòî âñòðå÷è, óíîñÿ ÷àñòü ãðàâèòàöèîííîé ýíåðãèè ñâÿçè äâîéíîé çâåçäû.
Y 3
1
X
2
âåðîÿòåí ïåðåõîä âíóòðåííåé ãðàâèòàöèîííîé ýíåðãèè çâåçäíîé ïàðû â êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ çâåçä. Ïðîùå ãîâîðÿ, ïîñëå âñòðå÷è îäèíî÷íîé çâåçäû ñ òåñíîé äâîéíîé ñèñòåìîé (èëè âñòðå÷è äâóõ äâîéíûõ ñèñòåì) êîìïîíåíòû ïàðû îêàçûâàþòñÿ áëèæå äðóã ê äðóãó, à çà ñ÷åò âûäåëèâøåéñÿ ãðàâèòàöèîííîé ýíåðãèè âîçðàñòàåò êàê ñêîðîñòü èõ îðáèòàëüíîãî äâèæåíèÿ, òàê è ñêîðîñòü èõ ïîëåòà â ïðîñòðàíñòâå.  ñêîïëåíèÿõ âîçìîæíû è äðóãèå òèïû âçàèìîäåéñòâèÿ çâåçä, ïðèâîäÿùèå ê èõ óñêîðåíèþ. Ðàçëè÷íûå âàðèàíòû òåñíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ çâåçä èçó÷åíû â ïîñëåäíèå ãîäû ïóòåì ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ: òàê, âîçìîæíû îáìåííûå âçàèìîäåéñòâèÿ, êîãäà îäèíî÷íàÿ çâåçäà, âñòðåòèâøèñü ñ ïàðîé, çàìåíÿåò ñîáîé îäèí èç åå êîìïîíåíòîâ. Åùå áîëüøå âàðèàíòîâ îáìåíà è ðàñïàäà âîçìîæíî ïðè âñòðå÷å äâóõ äâîéíûõ ñèñòåì. Ïðè ýòîì â ñðåäíåì äåéñòâóþò ïðîñòûå ïðàâèëà: 1) ìàññèâíûå çâåçäû ïðåäïî÷èòàþò îáúåäèíÿòüñÿ ñ ìàññèâíûìè, âûáðàñûâàÿ èç ñèñòåìû áîëåå ëåãêèõ ïàðòíåðîâ; 2) åñëè íàëåòàþùàÿ çâåçäà äâèæåòñÿ ìåäëåííåå, ÷åì êîìïîíåíòû äâîéíîé ñèñòåìû îáðàùàþòñÿ ïî îðáèòå, òî ïîñëå âñòðå÷è äâîéíàÿ ñèñòåìà ñòàíîâèòñÿ åùå ïëîòíåå, à óäàëÿþùàÿñÿ çâåçäà óíîñèò âûäåëèâøóþñÿ ãðàâèòàöèîííóþ ýíåðãèþ, ò. å. óñêîðÿåòñÿ. Êàê ÷àñòíûé ñëó÷àé ýòîãî ïðàâèëà ìîæíî ðàññìàòðèâàòü ñëó÷àéíîå ñáëèæåíèå òðåõ îäèíî÷íûõ çâåçä, êîòîðîå ïðèâîäèò ê ôîðìèðîâàíèþ äâîéíîé ñèñòåìû è çíà÷èòåëüíî óñêîðÿåò äâèæåíèå òðåòüåé çâåçäû, îñòàâøåéñÿ â îäèíî÷åñòâå (ðèñ. 7.25). Êàê âèäèì, â çâåçäíîì ñêîïëåíèè åñòü íåìàëî âîçìîæíîñòåé äëÿ óñêîðåíèÿ çâåçä.  ñâÿçè ñ ýòèì ìîæíî âñïîìíèòü, ÷òî â îáëàñòÿõ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, êðîìå ìåäëåííî ðàñøèðÿþùèõñÿ çâåçäíûõ àññîöèàöèé, íàáëþäàþòñÿ òàêæå «óáåãàþùèå çâåçäû» (runaway stars), íàõîäÿùèåñÿ çà ïðåäåëàìè àññîöèàöèè, íî èìåþùèå ê íåé ïðÿìîå îòíî-
266
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
øåíèå: íàïðàâëåíèå è ñêîðîñòü èõ äâèæåíèÿ óêàçûâàþò, ÷òî îíè ïîêèíóëè îáëàñòü ôîðìèðîâàíèÿ çâåçä íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ëåò íàçàä è óäàëÿþòñÿ îò íåå çíà÷èòåëüíî áûñòðåå, ÷åì ðàñøèðÿåòñÿ àññîöèàöèÿ â öåëîì. Íàïðèìåð, çâåçäû AE Aur è µ Col ðàçëåòàþòñÿ èç îáëàñòè Òðàïåöèè Îðèîíà ñî ñêîðîñòüþ 130 êì/ñ, à äâîéíàÿ ñèñòåìà Vela X-1 ñ ðåíòãåíîâñêèì ïóëüñàðîì 2,5 ìëí ëåò íàçàä âûëåòåëà èç çâåçäíîé àññîöèàöèè Vela OB1 è óäàëÿåòñÿ îò íåå ñî ñêîðîñòüþ 90 êì/ñ. Òðóäíî ñêàçàòü, êàêîé èìåííî èç îïèñàííûõ âûøå ýôôåêòîâ ñûãðàë ðîëü â êàæäîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå, íî îáà îíè ýôôåêòèâíî ðàçðóøàþò ñêîïëåíèÿ. Èòàê, ÷åðåç íåñêîëüêèõ ìèëëèîíîâ ëåò ïîñëå ðîæäåíèÿ ãðóïïû çâåçä â íåäðàõ êîñìè÷åñêîãî îáëàêà ýòè çâåçäû ñâîèì èçëó÷åíèåì è çâåçäíûì âåòðîì ðàçðóøàþò ðîäèòåëüñêîå îáëàêî, à âñëåä çà òåì è ñàìè çâåçäû â áîëüøèíñòâå ñâîåì ïîêèäàþò ìåñòî ðîæäåíèÿ. Ëèøü ìåíüøàÿ èõ ÷àñòü (~10%) îñòàþòñÿ ñâÿçàííûìè â çâåçäíûõ ñêîïëåíèÿõ, âðåìÿ æèçíè êîòîðûõ èçìåðÿåòñÿ óæå ñîòíÿìè ìèëëèîíîâ è äàæå ìèëëèàðäàìè ëåò. 7.4.4. Ìåõàíèçìû ýâîëþöèè âçðîñëûõ ñêîïëåíèé Ïîñëå òîãî êàê ìîëîäîå çâåçäíîå ñêîïëåíèå ðàññòàëîñü ñ îñòàòêàìè ðîäèòåëüñêîãî ãàçà è áûñòðûìè çâåçäàìè, îíî ïðèõîäèò â ñòàöèîíàðíîå ñîñòîÿíèå, íî âñå ðàâíî ïðîäîëæàåò ìåäëåííî òåðÿòü çâåçäû ïîä äåéñòâèåì ïðîöåññîâ âíóòðåííåé ðåëàêñàöèè è ïîä âëèÿíèåì âíåøíèõ ãðàâèòàöèîííûõ âîçìóùåíèé. Äâèãàÿñü â ñòàöèîíàðíîì ãðàâèòàöèîííîì ïîëå ñêîïëåíèÿ, çâåçäû âðåìÿ îò âðåìåíè ñáëèæàþòñÿ äðóã ñ äðóãîì è ïîä äåéñòâèåì âçàèìíîãî ïðèòÿæåíèÿ èçìåíÿþò ñâîè òðàåêòîðèè è ýíåðãèþ äâèæåíèÿ. Çâåçäíàÿ ñèñòåìà, êàê è ëþáàÿ äðóãàÿ ñèñòåìà âçàèìîäåéñòâóþùèõ ÷àñòèö, ñòðåìèòñÿ ñî âðåìåíåì ê òåðìîäèíàìè÷åñêîìó ðàâíîâåñèþ è ìàêñâåëëîâñêîìó ðàñïðåäåëåíèþ ýíåðãèè ìåæäó ÷àñòèöàìè. Îäíàêî çâåçäíîå ñêîïëåíèå — íå êîëáà ñ ãàçîì: ó íåãî íåò ñòåíîê. Ïîýòîìó çâåçäû, ïîëó÷èâøèå â õîäå îáìåíà ýíåðãèåé áîëüøóþ ñêîðîñòü, âûëåòàþò èç ñêîïëåíèÿ íàâñåãäà, ïîäîáíî òîìó êàê èñïàðÿþòñÿ ìîëåêóëû èç îòêðûòîãî ñòàêàíà ñ âîäîé. Àñòðîíîìû íàçûâàþò ýòî äèññèïàöèåé çâåçäíûõ ñêîïëåíèé. Îñîáåííî àêòèâíî ïðîèñõîäèò äèññèïàöèÿ îòíîñèòåëüíî ìàëîìàññèâíûõ ðàññåÿííûõ ñêîïëåíèé: ñêîïëåíèå èç òûñÿ÷è çâåçä ïîëíîñòüþ «èñïàðÿåòñÿ» çà íåñêîëüêî ñîòåí ìèëëèîíîâ ëåò. Ñòðåìëåíèå «çâåçäíîãî ãàçà» ê ðàâíîðàñïðåäåëåíèþ ýíåðãèè ÷àñòèö (mv2/2) ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî áîëåå ìàññèâíûå çâåçäû óìåíüøàþò ñêîðîñòü è îïóñêàþòñÿ ê öåíòðó ñêîïëåíèÿ: ïðîèñõîäèò ñåãðåãàöèÿ
7.4. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ
267
çâåçä ïî ìàññå. Ëåãêèå çâåçäû óõîäÿò íà ïåðèôåðèþ ñêîïëåíèÿ è ôîðìèðóþò ïðîòÿæåííóþ êîðîíó, à áîëåå ìàññèâíûå ñîáèðàþòñÿ â ïëîòíîì ÿäðå, êîòîðîå íåïðåðûâíî ñæèìàåòñÿ. Ñðàçó ïîñëå ñîçäàíèÿ ïåðâûõ êîìïüþòåðîâ ñïåöèàëèñòû ïî çâåçäíîé äèíàìèêå ñòàëè ìîäåëèðîâàòü ýâîëþöèþ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé, ïðåäñòàâëÿÿ çâåçäû â âèäå òî÷å÷íûõ ìàññ. Ïåðâûå ðàñ÷åòû ïîêàçàëè, ÷òî öåíòðàëüíàÿ ÷àñòü ñêîïëåíèÿ äîëæíà çà êîíå÷íîå âðåìÿ ñæàòüñÿ äî íóëåâîãî ðàçìåðà è áåñêîíå÷íîé ïëîòíîñòè. Êîãäà ýòîò òåîðåòè÷åñêèé ðåçóëüòàò áûë ïîëó÷åí, àñòðîíîìîâ î÷åíü çàèíòåðåñîâàëî, à ÷òî æå ïðîèñõîäèò â äåéñòâèòåëüíîñòè â öåíòðå çâåçäíîãî ñêîïëåíèÿ, êîãäà òåðÿþùèå ýíåðãèþ çâåçäû ïîäõîäÿò áëèçêî äðóã ê äðóãó: âåäü â ïðèðîäå íå áûâàåò áåñêîíå÷íîñòåé, ýòî âñåãî ëèøü ìàòåìàòè÷åñêàÿ àáñòðàêöèÿ. Ïî ïîâîäó óïëîòíÿþùèõñÿ ÿäåð çâåçäíûõ ñêîïëåíèé âûñêàçûâàëèñü ðàçíûå èäåè: îäíè ãîâîðèëè, ÷òî ðåàëüíûå çâåçäû áóäóò ñòàëêèâàòüñÿ è ðàçðóøàòü äðóã äðóãà, äðóãèå — ÷òî çâåçäû áóäóò ñòàëêèâàòüñÿ è ñëèïàòüñÿ äðóã ñ äðóãîì è ïðè ýòîì èç ìíîãèõ îáû÷íûõ çâåçä ïîëó÷èòñÿ îäíà î÷åíü ìàññèâíàÿ çâåçäà. Íî òàêàÿ ñâåðõçâåçäà, êîíãëîìåðàò èç ñîòåí ñëèâøèõñÿ âìåñòå çâåçä, ïðåäñòàâëÿëà áû ñîáîé ÷ðåçâû÷àéíî ýôôåêòíîå çðåëèùå, à íè÷åãî ïîäîáíîãî â çâåçäíûõ ñêîïëåíèÿõ íèêòî íèêîãäà íå íàáëþäàë.  íàøåé ãàëàêòèêå íè ó îäíîãî èç ñêîïëåíèé â öåíòðå íåò ñâåðõçâåçäû. Âåðîÿòíî, ïðîñòûå ìîäåëè íå ó÷èòûâàþò êàêèå-òî âàæíûå îñîáåííîñòè çâåçäíûõ ñêîïëåíèé. Êàêèå æå èìåííî? Âûÿñíèëîñü, ÷òî ïðåäñòàâëåíèå çâåçä â âèäå òî÷å÷íûõ ìàññ áûëî ÷åðåñ÷óð ãðóáûì: òàêèå çâåçäû îáìåíèâàëèñü ýíåðãèåé, íî â ñóììå íå òåðÿëè åå, à â äåéñòâèòåëüíîñòè ýòî íå âñåãäà òàê. Ðàññìîòðèì áëèçêèé ïðîëåò äâóõ çâåçä. Åñëè â ïðîöåññå ñáëèæåíèÿ îíè îñòàþòñÿ øàðîîáðàçíûìè, òî ïðèòÿãèâàþòñÿ ïî çàêîíó Íüþòîíà, à çíà÷èò, äâèæóòñÿ ïî ãèïåðáîëè÷åñêèì òðàåêòîðèÿì è ïîñëå ñáëèæåíèÿ âíîâü ðàñõîäÿòñÿ «íà áåñêîíå÷íîñòü». Íà ñàìîì æå äåëå âçàèìíîå ïðèëèâíîå âëèÿíèå èñêàæàåò ôîðìó çâåçä: îíè ñòàíîâÿòñÿ âûòÿíóòûìè ýëëèïñîèäàìè. Äëÿ èëëþñòðàöèè áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî îäíà èç çâåçä — î÷åíü ìàññèâíàÿ, æåñòêàÿ è íåïîäâèæíàÿ, à âòîðàÿ ïîäëåòàåò ê íåé èçäàëåêà (ðèñ. 7.26). Ñíà÷àëà ïîäëåòàþùàÿ çâåçäà áûëà øàðîîáðàçíà, íî, ïðèáëèæàÿñü ê ìàññèâíîé ñîñåäêå, îíà âûòÿãèâàåòñÿ âäîëü ñîåäèíÿþùåé èõ ïðÿìîé. Ýòî è åñòü ïðèëèâíûé ýôôåêò; îí ïîëíîñòüþ àíàëîãè÷åí òîìó, êîòîðûé ïîä âëèÿíèåì ïðèòÿæåíèÿ Ëóíû è Ñîëíöà âûçûâàåò íà Çåìëå ìîðñêèå ïðèëèâû è îòëèâû. Ïðè ñáëèæåíèè çâåçä èõ òåëà äåôîðìèðóþòñÿ âñå ñèëüíåå, âûòÿãèâàÿñü â íàïðàâëåíèè äðóã äðóãà. Çâåçäû äâèæóòñÿ, è ïðèëèâíûå ãîð-
268
a
á
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ðèñ. 7.26. Ïðèëèâíûé çàõâàò ïðè òåñíîì ñáëèæåíèè äâóõ çâåçä (îäíà èç íèõ äëÿ ïðîñòîòû ïîêàçàíà íåïîäâèæíîé è àáñîëþòíî æåñòêîé). Åñëè áû çâåçäû íå äåôîðìèðîâàëèñü ãðàâèòàöèåé ñîñåäà (à), òî ïðîëåò áûë áû ñèììåòðè÷íûì, è çàõâàò íå ïðîèçîøåë.  äåéñòâèòåëüíîñòè (á) ïðèëèâíàÿ äåôîðìàöèÿ çâåçäû îòáèðàåò ó íåå ÷àñòü ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè, ïîýòîìó çâåçäà ïåðåõîäèò íà ñâÿçàííóþ îðáèòó — îáðàçóåòñÿ äâîéíàÿ ñèñòåìà.
áû ïîâîðà÷èâàþòñÿ, ïûòàÿñü îòñëåäèòü íàïðàâëåíèå ãðàâèòàöèîííîé ñèëû. Íî èç-çà èíåðöèè è âÿçêîñòè ãîðá íå ìîæåò òî÷íî ñëåäîâàòü ïîâîðîòó ðàäèóñà-âåêòîðà çâåçä: îí ñíà÷àëà çàïàçäûâàåò, à çàòåì îïåðåæàåò åãî.  ðåçóëüòàòå âçàèìîäåéñòâèå ïðîèñõîäèò íå ïî íüþòîíîâó çàêîíó: áîëåå áëèçêèé ãîðá ïðèòÿãèâàåòñÿ ñèëüíåå, ÷åì áîëåå äàëåêèé, à çíà÷èò, åñòü ñîñòàâëÿþùàÿ ñèëû ïðèòÿæåíèÿ, òîðìîçÿùàÿ äâèæåíèå çâåçäû ïî îðáèòå è óâîäÿùàÿ åå ñ ïðîñòîé ãèïåðáîëè÷åñêîé òðàåêòîðèè. Ýíåðãèÿ äâèæåíèÿ ïðè ýòîì ÷àñòè÷íî ïåðåõîäèò â ýíåðãèþ âðàùåíèÿ çâåçäû, à ÷àñòè÷íî â òåïëî. Îðáèòàëüíûé ìîìåíò òîæå ÷àñòè÷íî òðàíñôîðìèðóåòñÿ â ìîìåíò îñåâîãî âðàùåíèÿ. Çâåçäà ïåðåõîäèò íà ýëëèïòè÷åñêóþ îðáèòó è îêàçûâàåòñÿ íàâñåãäà ïðèâÿçàííîé ê òîé çâåçäå, ñ êîòîðîé îíà ñëó÷àéíî ñáëèçèëàñü. Òàê èç äâóõ îäèíî÷íûõ çâåçä îáðàçîóåòñÿ äâîéíàÿ ñèñòåìà. Ýòî âîçìîæíî òîëüêî ïðè î÷åíü òåñíîì ñáëèæåíèè çâåçä, íà ðàññòîÿíèå íå áîëåå íåñêîëüêèõ èõ ñîáñòâåííûõ ðàçìåðîâ. Ñëåäîâàòåëüíî, ìàññîâîå ôîðìèðîâàíèå äâîéíûõ â ðåçóëüòàòå ïðèëèâíîãî çàõâàòà, ðàâíî êàê è â ðåçóëüòàòå îïèñàííîãî âûøå ñáëèæåíèÿ òðåõ çâåçä, âîçìîæíî òîëüêî â î÷åíü ïëîòíûõ ÿäðàõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé. Ôîðìèðîâàíèå äâîéíûõ çâåçä ñïîñîáíî ñåðüåçíî ïîâëèÿòü íà ýâîëþöèþ çâåçäíîãî ñêîïëåíèÿ â ïåðèîä ñæàòèÿ åãî ÿäðà. Îáúåäèíèâøèåñÿ â äâîéíûå ñèñòåìû çâåçäû âåñüìà ñâîåîáðàçíî âçàèìîäåéñòâóþò äðóã ñ äðóãîì è ñ îäèíî÷íûìè çâåçäàìè ñêîïëåíèÿ, çàñòàâëÿÿ èõ äâèãàòüñÿ âñå áîëåå è áîëåå èíòåíñèâíî. Ñïåöèàëèñòû ïî çâåçäíîé äèíàìèêå ïðîâåëè ìíîæåñòâî ÷èñëåííûõ ýêñïåðèìåíòîâ, çàñòàâëÿÿ îäèíî÷íûå çâåçäû ïðîëåòàòü ìèìî äâîéíîé ñèñòåìû. Îêà-
7.4. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ
269
çàëîñü, ÷òî ðåçóëüòàò ïðîëåòà çàâèñèò îò òîãî, íàñêîëüêî ñèëüíî ñâÿçàíû äðóã ñ äðóãîì êîìïîíåíòû äâîéíîé ñèñòåìû. Åñëè îðáèòàëüíàÿ ñêîðîñòü êîìïîíåíòîâ äâîéíîé ñèñòåìû ìåíüøå ñêîðîñòè, ñ êîòîðîé íà íèõ íàëåòàåò òðåòüÿ, îäèíî÷íàÿ çâåçäà, òî èõ âñòðå÷à â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ çàêàí÷èâàåòñÿ ðàñïàäîì ñèñòåìû: âñå òðè çâåçäû ðàçëåòàþòñÿ â ðàçíûå ñòîðîíû. Íà ÿçûêå ôèçèêîâ ýòîò ïðîöåññ ìîæíî íàçâàòü èîíèçàöèåé óäàðîì: ïðîëåòàþùèé ìèìî àòîìà ýëåêòðîí, åñëè ñáëèæåíèå ïðîèñõîäèò ñ áîëüøîé ñêîðîñòüþ, ìîæåò èîíèçîâàòü àòîì, ò. å. îòîðâàòü îäèí èç åãî ýëåêòðîíîâ; â ðåçóëüòàòå âìåñòî äâóõ ñâîáîäíûõ ÷àñòèö ïîëó÷àåòñÿ òðè — èîí è äâà ýëåêòðîíà, îäíàêî èõ ñêîðîñòè óìåíüøàþòñÿ, ïîñêîëüêó ÷àñòü êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè óøëà íà îòðûâ ýëåêòðîíà. Ôèçèêàì èçâåñòåí è îáðàòíûé ïðîöåññ — òàê íàçûâàåìûé óäàð âòîðîãî ðîäà, êîãäà ïðîëåòàþùèé ðÿäîì ñ âîçáóæäåííûì àòîìîì ýëåêòðîí ïîëó÷àåò äîïîëíèòåëüíóþ ýíåðãèþ çà ñ÷åò òîãî, ÷òî àòîì ïåðåõîäèò èç âîçáóæäåííîãî â îñíîâíîå ñîñòîÿíèå, ò. å. ýëåêòðîí â íåì îïóñêàåòñÿ íà áîëåå íèçêóþ îðáèòó. Âû óæå äîãàäàëèñü, ÷òî òàêîé æå ïðîöåññ îêàçàëñÿ âîçìîæåí è â çâåçäíîé äèíàìèêå: åñëè îäèíî÷íàÿ çâåçäà ïðîëåòàåò ìèìî äâîéíîé ñèñòåìû, êîìïîíåíòû êîòîðîé òåñíî ñâÿçàíû è áûñòðî äâèæóòñÿ, òî, ñêîðåå âñåãî, ïîñëå ýòîé âñòðå÷è äâîéíàÿ ñèñòåìà ñîõðàíèòñÿ, ñòàíåò åùå áîëåå ñâÿçàííîé, ñ åùå áîëüøåé îðáèòàëüíîé ñêîðîñòüþ, à ðàçíèöó â ýíåðãèè óíåñåò ñ ñîáîé íàëåòàâøàÿ îäèíî÷íàÿ çâåçäà, êîòîðàÿ ïîñëå ýòîé âñòðå÷è óâåëè÷èò ñâîþ ñêîðîñòü. Íàïîìíþ: ýíåðãèÿ ãðàâèòàöèîííîé ñâÿçè äâóõ ÷àñòèö ðàâíà Eg = Gm1m2/R. Ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî êîìïàêòíûå, êðåïêî ñâÿçàííûå äâîéíûå çâåçäû ïîñëå âñòðå÷è ñ îäèíî÷íûìè ñòàíîâÿòñÿ êîìïàêòíåå, ò. å. åùå ïëîòíåå ñâÿçàííûìè, à ðûõëûå, øèðîêèå, ñëàáî ñâÿçàííûå äâîéíûå ñèñòåìû ïîñëå òàêèõ âñòðå÷ îáû÷íî ðàñïàäàþòñÿ. Êàê ãîâîðèòñÿ, áîãàòûå ñòàíîâÿòñÿ áîãà÷å, à áåäíûå — áåäíåå. ×èñëåííûå ýêñïåðèìåíòû óêàçàëè è äðóãèå âîçìîæíîñòè âçàèìîäåéñòâèÿ îäèíî÷íîé çâåçäû ñ äâîéíîé. Íàïðèìåð, èíîãäà ïðîèñõîäèò îáìåí êîìïîíåíòîì, êîãäà íàëåòàþùàÿ îäèíî÷íàÿ çâåçäà ñòàíîâèòñÿ êîìïîíåíòîì äâîéíîé ñèñòåìû, âûáðàñûâàÿ îòòóäà îäíîãî èç çàêîííûõ åå ÷ëåíîâ. Ëþáîïûòíî, ÷òî â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ëåãêàÿ çâåçäà â ñèñòåìå çàìåíÿåòñÿ áîëåå ìàññèâíûì ïðèøåëüöåì (òîëñòûå ñòàíîâÿòñÿ òîëùå?). Åùå èíòåðåñíåå íàáëþäàòü ñòîëêíîâåíèÿ äâóõ äâîéíûõ çâåçä. Íî îñòàâèì ýòó òåìó: âû áåç òðóäà ìîæåòå ñàìè îñóùåñòâèòü òàêèå ýêñïåðèìåíòû íà ïåðñîíàëüíîì êîìïüþòåðå. Òîëüêî ñëåäèòå, ÷òîáû çâåçäû íå ñòàëêèâàëèñü «â ëîá», à òî íå ìèíîâàòü êîñìè÷åñêîé êàòàñòðîôû (èìååòñÿ â âèäó äåëåíèå íà íîëü).
270
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Òåïåðü ñâåäåì âîåäèíî òî, ÷òî ìû óçíàëè î ïðèëèâíîì ìåõàíèçìå ôîðìèðîâàíèÿ äâîéíûõ çâåçä è î âçàèìîäåéñòâèè îäèíî÷íûõ çâåçä ñ äâîéíûìè. Ïðèëèâíûé ìåõàíèçì ïðèâîäèò ê ôîðìèðîâàíèþ òîëüêî î÷åíü ïëîòíûõ äâîéíûõ ñèñòåì, ïîñêîëüêó îí âêëþ÷àåòñÿ òîëüêî ïðè òåñíîì ñáëèæåíèè äâóõ çâåçä. Ïëîòíûå ñèñòåìû íå ðàñïàäàþòñÿ, à ïðè êàæäîé âñòðå÷å ñ îäèíî÷íûìè çâåçäàìè ïåðåäàþò èì ÷àñòü ñâîåé ýíåðãèè è çàñòàâëÿþò èõ äâèãàòüñÿ áîëåå èíòåíñèâíî. Ýòî è åñòü òîò ñàìûé ýôôåêò, êîòîðûé íå ïîçâîëÿåò öåíòðàëüíûì îáëàñòÿì çâåçäíûõ ñêîïëåíèé ñæàòüñÿ äî áåñêîíå÷íîé ïëîòíîñòè. Êîãäà â ÿäðå çâåçäíîãî ñêîïëåíèÿ ïëîòíîñòü âîçðàñòàåò, çâåçäû òàì íà÷èíàþò ÷àùå âñòðå÷àòüñÿ äðóã ñ äðóãîì, ÷àùå îáðàçóþò äâîéíûå ñèñòåìû, êîòîðûå íà÷èíàþò ðàçãîíÿòü îäèíî÷íûå çâåçäû, è òå âûñêàêèâàþò èç ýòîé ïëîòíîé îáëàñòè è óõîäÿò íà ïåðèôåðèþ ñêîïëåíèÿ. Çâåçäíûå ïàðû ìîãóò âûáðàñûâàòü äàæå äðóã äðóãà. Åñëè ïðîâåñòè àíàëîãèþ çâåçäíîãî ñêîïëåíèÿ ñ ãàçîâûì îáëàêîì, òî äâîéíûå çâåçäû èãðàþò â ñêîïëåíèè ðîëü èñòî÷íèêà òåïëà, íå ïîçâîëÿþùåãî îáëàêó ñæèìàòüñÿ. Ïîïðîáóéòå ñàìè ïðîäîëæèòü ýòó àíàëîãèþ, âñïîìíèâ ñòðîåíèå çâåçäû (âåäü ýòî òîæå ãàçîâîå îáëàêî) è èñòî÷íèê åå ñòàáèëüíîñòè — òåðìîÿäåðíûå ðåàêöèè, ïðîèñõîäÿùèå â ÿäðå. ×òî îáùåãî ìåæäó ôîðìèðîâàíèåì äâîéíûõ çâåçä â øàðîâîì ñêîïëåíèè è ïðåâðàùåíèåì âîäîðîäà â ãåëèé? (Ïîäñêàçêà: ýíåðãèÿ ñâÿçè.) Èòàê, ÿäðà çâåçäíûõ ñêîïëåíèé èçáåãàþò ÷ðåçìåðíîãî óïëîòíåíèÿ áëàãîäàðÿ ôîðìèðîâàíèþ äâîéíûõ çâåçä è èõ äåéñòâèþ êàê èñòî÷íèêîâ ýíåðãèè. Ïðè ýòîì äâîéíûå îáðàçóþòñÿ ïðè òåñíîì ñáëèæåíèè îäèíî÷íûõ çâåçä. Òàêèå ñáëèæåíèÿ íàçûâàþò ãðàâèòàöèîííûìè ñòîëêíîâåíèÿìè çâåçä, ïîä÷åðêèâàÿ, ÷òî ôèçè÷åñêîãî êîíòàêòà ìåæäó íèìè ïðè ýòîì íå ïðîèñõîäèò. À ñëó÷àþòñÿ ëè â ñêîïëåíèÿõ íàñòîÿùèå, ôèçè÷åñêèå, ñòîëêíîâåíèÿ? Äî ñèõ ïîð èõ íèêòî íå íàáëþäàë, íî óêàçàíèÿ èìåþòñÿ. Äâà ÿâëåíèÿ àñòðîíîìû «ñïèñûâàþò» íà ñòîëêíîâåíèÿ è ñëèÿíèÿ çâåçä. Îäíî èç íèõ — ýòî òàê íàçûâàåìûå ãîëóáûå áðîäÿãè (blue stragglers), îíè æå ãîëóáûå ñòðàííèêè èëè ãîëóáûå ñêèòàëüöû. Ýòî âíåøíå ìîëîäûå è äîñòàòî÷íî ìàññèâíûå çâåçäû, ëåæàùèå âûøå òî÷êè ïîâîðîòà ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè íà äèàãðàììå Ãåðöøïðyíãà—Ðàññåëà, ïîýòîìó îíè è ãîëóáåå äðóãèõ çâåçä ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè. Ñ ñîâðåìåííîé àïïàðàòóðîé èõ ìîæíî íàéòè ïî÷òè â ëþáîì øàðîâîì ñêîïëåíèè, à âïåðâûå èõ çàìåòèë Àëëàí Ñýíäèäæ â 1953 ã. â ñêîïëåíèè M3. Âíåøíÿÿ ìîëîäîñòü ýòèõ çâåçä îçàäà÷èëà àñòðîíîìîâ: âåäü âñå çâåçäû øàðîâîãî ñêîïëåíèÿ îáðàçîâàëèñü îäíîâðåìåííî, ãà-
7.4. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ
271
çà íà îáðàçîâàíèå íîâûõ çâåçä â íåì íå îñòàëîñü, à òàêèå ÿðêèå è ìàññèâíûå çâåçäû, êàê ãîëóáûå áðîäÿãè, äîëæíû áûëè äàâíî ïðîýâîëþöèîíèðîâàòü è çàêîí÷èòü ñâîå ñóùåñòâîâàíèå. Ïîíà÷àëó ýòè çâåçäû ïîñ÷èòàëè «ïðèáëóäíûìè», çàõâà÷åííûìè ñêîïëåíèåì ïðè äâèæåíèè ñêâîçü Ãàëàêòèêó, — îòñþäà è íàçâàíèå. Îäíàêî âñêîðå ñòàëî ÿñíî, ÷òî ãîëóáûå áðîäÿãè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé åñòåñòâåííûé êîìïîíåíò çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ ñòàðûõ ñêîïëåíèé, è áûëè ïðåäëîæåíû äâå òåîðèè èõ îáðàçîâàíèÿ, îñíîâàííûå íà ìåõàíèçìå çâåçäíûõ ñëèÿíèé. Îäíà — òåîðèÿ ñòîëêíîâåíèé — ïðåäïîëàãàåò, ÷òî áðîäÿãè îáðàçóþòñÿ â ðåçóëüòàòå ïðÿìûõ ñòîëêíîâåíèé çâåçä, êîòîðûå â øàðîâûõ ñêîïëåíèÿõ èçðåäêà ïðîèñõîäÿò. Âòîðàÿ — òåîðèÿ òåñíûõ äâîéíûõ — óòâåðæäàåò, ÷òî ãîëóáûå áðîäÿãè ðîæäàþòñÿ â ðåçóëüòàòå îáìåíà ìàññîé èëè ïîëíîãî ñëèÿíèÿ çâåçä â äâîéíûõ ñèñòåìàõ. Ïîõîæå, ÷òî ñåãîäíÿ áîëüøå àðãóìåíòîâ ó âòîðîé èç ýòèõ òåîðèé: â åå ïîëüçó ãîâîðèò êîððåëÿöèÿ ìåæäó êîëè÷åñòâîì ãîëóáûõ áðîäÿã è ìàññîé ñêîïëåíèÿ, îò êîòîðîé çàâèñèò ÷èñëî òåñíûõ äâîéíûõ. Íî è ñòîëêíîâåíèÿ èëè, ïî êðàéíåé ìåðå, òåñíûå ñáëèæåíèÿ çâåçä òîæå èãðàþò ðîëü, âåäü èìåííî îíè âëèÿþò íà ýâîëþöèþ îðáèò äâîéíûõ ñèñòåì è äàæå íà èõ ôîðìèðîâàíèå â ÿäðàõ ñêîïëåíèé. Âòîðîå ÿâëåíèå, êîòîðîå íåêîòîðûå àñòðîíîìû ïðèïèñûâàþò ñëèÿíèþ çâåçä, — ýòî ðîæäåíèå íàèáîëåå ìàññèâíûõ ñâåòèë. Äåëî â òîì, ÷òî ñòàíäàðòíàÿ òåîðèÿ ãðàâèòàöèîííîé íåóñòîé÷èâîñòè è äàëüíåéøåãî ôîðìèðîâàíèÿ çâåçä íå ìîæåò îáúÿñíèòü ïîÿâëåíèå ñâåòèë ñ ìàññîé áîëåå 120–150 MA. À îíè îáíàðóæåíû â ÿäðàõ íåêîòîðûõ ìîëîäûõ ìàññèâíûõ ñêîïëåíèé: íàïðèìåð, â ñêîïëåíèè R136 â öåíòðå òóìàííîñòè Òàðàíòóë â Áîëüøîì Ìàãåëëàíîâîì Îáëàêå åñòü çâåçäà R136a1 ñ ìàññîé íå ìåíåå 260 MA. Òåîðåòèêè ïûòàþòñÿ îáúÿñíèòü ðîæäåíèå òàêèõ ìîíñòðîâ ñëèÿíèåì ìàññèâíûõ ïðîòîçâåçä, íî äëÿ ýòîãî òðåáóåòñÿ ïëîòíîñòü â ÿäðå ñêîïëåíèÿ ïîðÿäêà 108 MA/ïê3. Íå èñêëþ÷åíî, ÷òî ó ïðåäåëüíî ìîëîäûõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé, ñôîðìèðîâàâøèõñÿ â íåäðàõ ãèãàíòñêèõ ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ è åùå íå ðàññòàâøèõñÿ ñ íèìè (òàêèå ñêîïëåíèÿ íàçûâàþò «âíåäðåííûìè», embedded clusters), ïðîñòðàíñòâåííàÿ ïëîòíîñòü ìîëîäûõ çâåçä äåéñòâèòåëüíî ìîæåò äîñòèãàòü òàêèõ çíà÷åíèé. À òåïåðü âåðíåìñÿ ê ýâîëþöèè «âçðîñëîãî» çâåçäíîãî ñêîïëåíèÿ. Ïðîäîëæàÿ àíàëîãèþ ñî ñòàêàíîì âîäû, ëåãêî ïîíÿòü, ÷òî ëþáîå âíåøíåå ãðàâèòàöèîííîå âîçäåéñòâèå âëèÿåò íà ñêîïëåíèå çâåçä, êàê íàãðåâàòåëü íà âîäó, óñèëèâàÿ «èñïàðåíèå» ìîëåêóë-çâåçä. Äëÿ ðàññåÿííûõ ñêîïëåíèé, äâèæóùèõñÿ â ïðåäåëàõ ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà ïî ïî÷òè êðóãîâûì îðáèòàì, ãëàâíûì èñòî÷íèêîì ãðàâèòàöèîííûõ âîç-
272
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ðèñ. 7.27. Òèïè÷íàÿ îðáèòà øàðîâîãî ñêîïëåíèÿ â ïðîåêöèè íà ñîïóòñòâóþùóþ ìåðèäèîíàëüíóþ ïëîñêîñòü äèñêîâîé ãàëàêòèêè. Ïî âåðòèêàëè — ðàññòîÿíèå âäîëü îñè âðàùåíèÿ ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà; ïî ãîðèçîíòàëè — ðàññòîÿíèå îò ýòîé îñè. Ñåðûì ïîêàçàíî ñå÷åíèå äèñêà ãàëàêòèêè. Ñðàâíèòå ñ ðèñ. 3.22.
ìóùåíèé ñëóæàò áëèçêèå ïðîëåòû ãèãàíòñêèõ ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ, èìåþùèõ ìàññû 105–106 MA. Ïðè ýòîì ñðåäíåå âðåìÿ æèçíè ðàññåÿííîãî ñêîïëåíèÿ â äèñêå Ãàëàêòèêè îêàçûâàåòñÿ âñåãî 3 · 108 ëåò. Èìåííî ïîýòîìó âñå èçâåñòíûå ðàññåÿííûå ñêîïëåíèÿ òàê ìîëîäû — ñòàðûå äàâíî ðàçðóøèëèñü. Äëÿ øàðîâûõ ñêîïëåíèé, áîëüøóþ ÷àñòü æèçíè ïðîâîäÿùèõ çà ïðåäåëàìè ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà, âñòðå÷è ñ ìåæçâåçäíûìè îáëàêàìè ñóùåñòâåííîãî çíà÷åíèÿ íå èìåþò, èáî ïðîèñõîäÿò êðàéíå ðåäêî. Çàòî ýòè ñêîïëåíèÿ ðåãóëÿðíî ïåðåñåêàþò ïëîòíûé äèñê Ãàëàêòèêè, ïîïàäàÿ â åãî âåñüìà íåîäíîðîäíîå ïîëå è èñïûòûâàÿ ïðè ýòîì ðåçêèé «ãðàâèòàöèîííûé óäàð». Òàêèå óäàðû îùóòèìî «íàãðåâàþò»
7.4. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ
273
øàðîâîå ñêîïëåíèå, óñêîðÿÿ åãî äèññèïàöèþ è çàñòàâëÿÿ îñòàâøèåñÿ â ñêîïëåíèè çâåçäû óäàëÿòüñÿ îò öåíòðà (ïî àíàëîãèè ñ ëàáîðàòîðíîé ôèçèêîé ýòî ìîæíî íàçâàòü òåïëîâûì ðàñøèðåíèåì ñêîïëåíèÿ).  óñëîâèÿõ Ãàëàêòèêè ðàñøèðåíèå çâåçäíîãî ñêîïëåíèÿ ÷ðåâàòî åãî ðàñïàäîì, ïîñêîëüêó íåîäíîðîäíîå ãðàâèòàöèîííîå ïîëå Ãàëàêòèêè âûçûâàåò ïðèëèâíîé ýôôåêò è ñòðåìèòñÿ ðàñòÿíóòü ñêîïëåíèå âäîëü íàïðàâëåíèÿ íà ãàëàêòè÷åñêèé öåíòð. Ïîýòîìó ðàñïóõøåå ñêîïëåíèå òåðÿåò çâåçäû ñî ñâîåé ïåðèôåðèè, êîòîðûå íåêîòîðîå âðåìÿ ñîïðîâîæäàþò åãî ïî ãàëàêòè÷åñêîé îðáèòå (êàê ìåòåîðíûé ðîé ñîïðîâîæäàåò ÿäðî êîìåòû), à çàòåì «ðàñòâîðÿþòñÿ» ñðåäè ïðî÷èõ çâåçä Ãàëàêòèêè. Åùå îäèí ÷ðåçâû÷àéíî ëþáîïûòíûé ýôôåêò, âëèÿþùèé íà æèçíü ñàìûõ ìàññèâíûõ øàðîâûõ ñêîïëåíèé, — ýòî äèíàìè÷åñêîå òðåíèå, òîðìîçÿùåå äâèæåíèå ìàññèâíîãî òåëà, ëåòÿùåãî ñêâîçü ðîé ëåãêèõ ÷àñòèö. Ýòîò ýôôåêò õîðîøî èçâåñòåí ôèçèêàì â ñëó÷àå êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ; îí ñ óñïåõîì èñïîëüçóåòñÿ â óñêîðèòåëüíîé òåõíèêå äëÿ ýëåêòðîííîãî îõëàæäåíèÿ ïó÷êîâ áûñòðûõ ïðîòîíîâ.  Ãàëàêòèêå ðîëü ïðîòîíà èãðàåò øàðîâîå ñêîïëåíèå, ðîëü ýëåêòðîíîâ — îêðóæàþùèå åãî çâåçäû, à êóëîíîâñêóþ ñèëó çàìåíÿåò ãðàâèòàöèÿ (ðàçäåë 3.11). Âîçìóùàÿ äâèæåíèå çâåçä è îòäàâàÿ èì ñâîþ ýíåðãèþ, ñêîïëåíèå ïî ñïèðàëè ïàäàåò ê öåíòðó Ãàëàêòèêè. ×åì áëèæå îíî îêàçûâàåòñÿ ê ïëîòíîìó ãàëàêòè÷åñêîìó ÿäðó, òåì ñèëüíåå îùóùàåò åãî ïðèëèâíîå âëèÿíèå è òåðÿåò îò ýòîãî ñâîè íàðóæíûå ñëîè. Òàê ÷òî äî ñàìîãî öåíòðà Ãàëàêòèêè äîáèðàåòñÿ â ëó÷øåì ñëó÷àå «îãðûçîê» øàðîâîãî ñêîïëåíèÿ — åãî ÿäðî, âíîñÿùåå ñâîé âêëàä â ñòðîèòåëüñòâî ãàëàêòè÷åñêîãî ÿäðà. Èçó÷åíèå îïèñàííûõ âûøå è ìíîãèõ äðóãèõ ìåõàíèçìîâ ýâîëþöèè çâåçäíûõ ñêîïëåíèé ïðèâåëî ê âàæíûì âûâîäàì îá èõ ñóäüáå è îá ýâîëþöèè Ãàëàêòèêè â öåëîì. Âî-ïåðâûõ, ÿñíåå ñòàëî ïðîèñõîæäåíèå ÿäåð ãàëàêòèê è çâåçä ãàëàêòè÷åñêîãî ãàëî: âàæíóþ ðîëü â ýòîì ñûãðàëà óæå íå ñóùåñòâóþùàÿ, ðàçðóøèâøàÿñÿ ÷àñòü ïîïóëÿöèè øàðîâûõ ñêîïëåíèé. Âî-âòîðûõ, òåïåðü ìû ëó÷øå ïîíèìàåì, êàêèå ñâîéñòâà øàðîâûõ ñêîïëåíèé ÿâëÿþòñÿ «âðîæäåííûìè», à êàêèå — ïðèîáðåòåííûìè â õîäå äëèòåëüíîé äèíàìè÷åñêîé ýâîëþöèè; èìåííî âðîæäåííûå ñâîéñòâà ýòèõ äðåâíèõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé ïîìîãàþò âîññòàíàâëèâàòü èñòîðèþ ôîðìèðîâàíèÿ íàøåé Ãàëàêòèêè. Íàêîíåö, îäíîé èç âàæíåéøèõ îñîáåííîñòåé ñîâðåìåííîãî ðîæäåíèÿ çâåçä îêàçàëîñü èõ âçàèìîäåéñòâèå ñ îêðóæàþùèì ãàçîì, ïðèâîäÿùåå ê ôîðìèðîâàíèþ ðàçëè÷íûõ çâåçäíûõ ñèñòåì — ñêîïëåíèé, àññîöèàöèé, êîìïëåêñîâ.
274
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
7.4.5. Ïîèñê çâåçäíûõ ñêîïëåíèé Ïðèñòàëüíûé èíòåðåñ àñòðîíîìîâ ê çâåçäíûì ñêîïëåíèÿì ëåãêî ïîíÿòü. Èçìåðÿÿ õàðàêòåðèñòèêè ñîòåí çâåçä-ðîäñòâåííèêîâ, ñôîðìèðîâàâøèõñÿ èç îäíîãî ìàòåðèàëà, â îäíîì ìåñòå è â îäíî âðåìÿ, ìîæíî ñóùåñòâåííî óâåëè÷èòü òî÷íîñòü ðåçóëüòàòîâ çà ñ÷åò óñðåäíåíèÿ, óìåíüøàþùåãî ñëó÷àéíûå îøèáêè. Ðàññòîÿíèå äî ñêîïëåíèÿ, åãî ñêîðîñòü, ñòåïåíü ìåæçâåçäíîãî ïîãëîùåíèÿ ñâåòà, õèìè÷åñêèé ñîñòàâ è âîçðàñò åãî çâåçä îïðåäåëÿþòñÿ çíà÷èòåëüíî òî÷íåå, ÷åì äëÿ êàæäîé çâåçäû èíäèâèäóàëüíî. Íî ïîëüçà îò ñêîïëåíèé íå òîëüêî â ýòîì. Ïî ñðàâíåíèþ ñî çâåçäàìè èõ ñêîïëåíèÿ — çíà÷èòåëüíî áîëåå õðóïêèå è ïðîçðà÷íûå ñîçäàíèÿ, ïîäâåðæåííûå âíåøíåìó ãðàâèòàöèîííîìó âëèÿíèþ è äåìîíñòðèðóþùèå íàì ñâîþ âíóòðåííþþ ñòðóêòóðó. Èçó÷àÿ ðàñïðåäåëåíèå è äâèæåíèå çâåçä â ñêîïëåíèè, ìîæíî ìíîãîå ñêàçàòü î åãî ïðîèñõîæäåíèè è ýâîëþöèè. À âíåøíèå õàðàêòåðèñòèêè ñêîïëåíèÿ — åãî ôîðìà è ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü — ãîâîðÿò íàì î òîì, â êàêèõ ãðàâèòàöèîííûõ ïîëÿõ ïîáûâàëî ñêîïëåíèå, íàñêîëüêî ñèëüíî îíî ïðèáëèæàëîñü ê öåíòðó ãàëàêòèêè, ñòàëêèâàëîñü ëè ñ ãèãàíòñêèìè ìîëåêóëÿðíûìè îáëàêàìè è ò. ï. Ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî çâåçäû ñêîïëåíèÿ îáëàäàþò êîëëåêòèâíîé ïàìÿòüþ, è ýòî äåëàåò çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ öåííûìè êîñìîãîíè÷åñêèìè ñâèäåòåëÿìè. ×åì áîëüøå çâåçäíûõ ñêîïëåíèé îáíàðóæåíî â ãàëàêòèêå, òåì òî÷íåå ìîæíî âîññòàíîâèòü åå èñòîðèþ. Ýòî ñïðàâåäëèâî äëÿ âñåõ ãàëàêòèê, íî îñîáåííî âàæíî äëÿ íàøåé. Èìåííî çäåñü åñòü âîçìîæíîñòü íàèáîëåå ïîëíî èçó÷èòü ñèñòåìó çâåçäíûõ ñêîïëåíèé è, îñíîâûâàÿñü íà åå ñâîéñòâàõ, âîññòàíîâèòü èñ-
Ðèñ. 7.28. Äâà ïðåïÿòñòâèÿ â Ìëå÷íîì Ïóòè ìåøàþò ïîèñêó äàëåêèõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé — íåïðîçðà÷íûå äëÿ ñâåòà îáëàêà è áîãàòûé çâåçäíûé ôîí â ïðîìåæóòêàõ ìåæäó íèìè. Íà ñíèìêå: ãàçîâîïûëåâîå îáëàêî B68 (Barnard 68) â ñîçâåçäèè Çìååíîñåö, óäàëåííîå îò Çåìëè âñåãî íà 150 ïê; ïîýòîìó ïåðåä íèì íå îêàçàëîñü íè îäíîé ÿðêîé çâåçäû, à çà íèì âîîáùå íè÷åãî íå âèäíî. Ôîòî: òåëåñêîï VLT îáñåðâàòîðèè ESO (×èëè).
7.4. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ
275
Ðèñ. 7.29. Èçîáðàæåíèå öåíòðàëüíîé ÷àñòè Ìëå÷íîãî Ïóòè ðàçìåðîì 5°´2° ïîëó÷åíî ñëîæåíèåì òðåõ èíôðàêðàñíûõ ñíèìêîâ. Äâà ôîòî â áëèæíåì ÈÊ-äèàïàçîíå (1,25 è 2,17 ìêì) ñäåëàíû ñ Çåìëè â îáçîðå 2MASS, à ôîòî â äèàïàçîíå 6–11 ìêì ïîëó÷èë ñïóòíèê MSX (ÑØÀ) ñ îêîëîçåìíîé îðáèòû â 1996–1997 ãã. Åãî 33-ñì òåëåñêîï îõëàæäàëñÿ òâåðäûì âîäîðîäîì äî òåìïåðàòóðû 12 Ê.  áëèæíåì ÈÊ-äèàïàçîíå çàìåòíî ìíîæåñòâî äàëåêèõ çâåçä, â îñíîâíîì êðàñíûõ ãèãàíòîâ, êîòîðûå îáû÷íî íå âèäíû. Íà áîëüøèõ äëèíàõ âîëí ìåæçâåçäíàÿ ïûëü ñàìà ÿðêî ñâåòèòñÿ, íî âñå æå ïîçâîëÿåò çàãëÿíóòü ïî÷òè â ñàìûé öåíòð Ãàëàêòèêè (â ñåðåäèíå ñíèìêà).
òîðèþ Ãàëàêòèêè. Íàèáîëåå äðåâíèå ñâèäåòåëè ýòîé èñòîðèè — øàðîâûå ñêîïëåíèÿ, è ïî÷òè âñå îíè óæå îáíàðóæåíû, õîòÿ è íå èçó÷åíû äåòàëüíî. Ê ñîæàëåíèþ, èõ îñòàëîñü ìàëî — âñåãî îêîëî 180. Íî ýòî î÷åíü âàæíûå ñâèäåòåëè, è ñ êàæäûì èç íèõ èäåò èíäèâèäóàëüíàÿ ðàáîòà. Çíà÷èòåëüíî áîãà÷å è ðàçíîîáðàçíåå ñèñòåìà ðàññåÿííûõ ñêîïëåíèé. Åñëè îíè ðàñïðåäåëåíû âî âñåì ãàëàêòè÷åñêîì äèñêå ñ òàêîé æå ïëîòíîñòüþ, êàê â îêðåñòíîñòÿõ Ñîëíöà, òî èõ äîëæíî áûòü ïîðÿäêà 105, íî ìû óæå ãîâîðèëè, ÷òî îáíàðóæåíî èç íèõ âñåãî îêîëî 2200, ò. å. 2%. Ïðè÷èíû âïîëíå î÷åâèäíû: ðàññåÿííûå ñêîïëåíèÿ íàñåëÿþò ãàëàêòè÷åñêèé äèñê, êîòîðûé ìû íàáëþäàåì èçíóòðè, ñêâîçü ïëîòíóþ ïûëåâóþ ñðåäó, ïðåïÿòñòâóþùóþ îïòè÷åñêèì íàáëþäåíèÿì íà ðàññòîÿíèÿõ áîëåå 2–3 êïê. À â òåõ íåìíîãèõ íàïðàâëåíèÿõ, ãäå ïûëè íà ëó÷å çðåíèÿ ïîìåíüøå («îêíà ïðîçðà÷íîñòè»), îáíàðóæåíèþ ñêîïëåíèé ìåøàåò áîãàòûé çâåçäíûé ôîí. Ïðåîäîëåòü ïûëåâóþ çàâåñó îò÷àñòè ïîìîãàþò íàáëþäåíèÿ â èíôðàêðàñíîì (ÈÊ) äèàïàçîíå, â êîòîðîì ìåæçâåçäíàÿ ïûëü ïîãëîùàåò èçëó÷åíèå çíà÷èòåëüíî ñëàáåå, ÷åì â îïòèêå.  ïîñëåäíèå ãîäû òàêèå îáçîðû Ìëå÷íîãî Ïóòè ïðîâîäèëèñü â áëèæíåì ÈÊ ñ Çåìëè è â äàëüíåì ÈÊ ñ îðáèòû. Ðåçóëüòàòû âïå÷àòëÿþò. Îñîáåííî öåííûì äëÿ ïîèñêà çâåçäíûõ ñêîïëåíèé ñòàë îáçîð 2MASS (Two Micron All-Sky Survey), ïðîâåäåííûé â 1997–2001 ãã. àâòîìàòè÷åñêèìè 1,3-ìåòðîâûìè òåëå-
276
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
ñêîïàìè, ðàáîòàþùèìè íà âåðøèíàõ Ìàóíò-Õîïêèíñ (ÑØÀ) è ÑåððîÒîëîëî (×èëè). Ýòîò çàìå÷àòåëüíûé îáçîð, ïîêðûâøèé ïðàêòè÷åñêè âñå íåáî è èìåþùèé ïðåäåëüíûå çâåçäíûå âåëè÷èíû â ôèëüòðàõ J (1,25 ìêì) = 15,8m, H(1,65 ìêì) = 15,1m è KS(2,17 ìêì) = 14,3m, ïîçâîëèë ïðè åãî «âèçóàëüíîì» ïðîñìîòðå îáíàðóæèòü 346 íîâûõ ñêîïëåíèé è åùå 10 ñêîïëåíèé ïóòåì àâòîìàòè÷åñêîãî àíàëèçà (Glushkova, 2012). Áîëüøèíñòâî ýòèõ ñêîïëåíèé î÷åíü ìîëîäû è âíåäðåíû â ïëîòíóþ îáëà÷íóþ ñðåäó (embedded clusters); ýòî äåëàåò èõ ÷ðåçâû÷àéíî èíòåðåñíûìè, íî è ñëîæíûìè äëÿ èññëåäîâàíèÿ. Àâòîìàòè÷åñêèå ìåòîäû ïîèñêà ñêîïëåíèé â îñíîâíîì îïèðàþòñÿ íà âûÿâëåíèå ëîêàëüíûõ ïèêîâ ïëîòíîñòè çâåçä â îïðåäåëåííîì äèàïàçîíå èõ õàðàêòåðèñòèê, íàïðèìåð â îãðàíè÷åííîì äèàïàçîíå èõ óãëîâîãî ðàçìåðà (ïîñêîëüêó âñå î÷åíü áîëüøèå, ò. å. áëèçêèå, óæå îáíàðóæåíû, à î÷åíü ìàëåíüêèå, ò. å. äàëåêèå, âîîáùå íå âèäíû). Ýòè ìåòîäû ïðèíîñÿò íåêîòîðûå ïëîäû. Òàê, àâòîìàòè÷åñêèé ïðîñìîòð êàòàëîãà USNO-A2, îñíîâàííîãî íà Ïàëîìàðñêîì è åìó ïîäîáíûõ îáçîðàõ íåáà è ñîäåðæàùåãî îáúåêòû äî V = 21m, âûÿâèë îêîëî 1000 èçâåñòíûõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé è 8 íîâûõ êàíäèäàòîâ. Íî àëãîðèòìû ïîèñêà ñêîïëåíèé ïîêà íåñîâåðøåííû. Íàïðèìåð, àâòîìàòè÷åñêèé ïîèñê ïî êàòàëîãó GLIMPSE (Galactic Legacy Infrared Mid-Plane Survey Extraordinare), îñíîâàííîìó íà äàííûõ êîñìè÷åñêîãî èíôðàêðàñíîãî òåëåñêîïà «Ñïèòöåð» â ÷åòûðåõ ÈÊ-ôèëüòðàõ (3,6; 4,5; 5,8 è 8,0 ìêì), âûÿâèë 59 êàíäèäàòîâ â ñêîïëåíèÿ â îáëàñòè Ìëå÷íîãî Ïóòè ñ êîîðäèíàòàìè |b| < 1° è |l| = 10–65°, à ïðè «âèçóàëüíîì» ïðîñìîòðå ýòèõ æå äàííûõ îáíàðóæèëîñü åùå 33 âíåäðåííûõ ñêîïëåíèÿ. Ïîðîé àâòîìàòè÷åñêèé ïîèñê âûäàåò ñëèøêîì ìíîãî êàíäèäàòîâ. Òàê, â 2008 ã. Ñ. Å. Êîïîñîâ, Å. Â. Ãëóøêîâà è È. Þ. Çîëîòóõèí (ÃÀÈØ ÌÃÓ) ðàçâèëè íîâûé ìåòîä àâòîìàòè÷åñêîãî ïîèñêà è, ïðèìåíèâ åãî ê îáçîðó 2MASS â îáëàñòè |b| < 24°, âûÿâèëè 11 òûñ. ïèêîâ çâåçäíîé ïëîòíîñòè, ñðåäè êîòîðûõ íàäåæíûõ ñêîïëåíèé îêàçàëîñü íå òàê óæ ìíîãî: â ðåçóëüòàòå äîïîëíèòåëüíîãî àâòîìàòè÷åñêîãî è ðó÷íîãî îòáîðà îñòàëîñü îêîëî 700 èçâåñòíûõ ðàññåÿííûõ ñêîïëåíèé, îêîëî 100 èçâåñòíûõ øàðîâûõ ñêîïëåíèé è îáíàðóæèëîñü åùå 168 íîâûõ ñêîïëåíèé (SAI Open Clusters Catalog, 2012). Ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî ýôôåêòèâíîñòü «ïîëóàâòîìàòè÷åñêîãî» ïîèñêà íîâûõ ñêîïëåíèé ñîñòàâèëà 1,5%. Îäíàêî ñàì ïî ñåáå ðåçóëüòàò — 168 íîâûõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé — âïå÷àòëÿåò! Òåì íå ìåíåå ïîêà â Ãàëàêòèêå îáíàðóæåíî ëèøü 2% çâåçäíûõ ñêîïëåíèé, à 98% — íå íàéäåíî, òàê ÷òî ðàáîòû âïåðåäè ìíîãî. Ñëåäóþùåãî ïðîðûâà â îáëàñòè «èíâåíòàðèçàöèè» ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà
7.5. Êèíåìàòèêà ãàëàêòèê
277
ñëåäóåò îæèäàòü ïîñëå 2018 ã., êîãäà âñòóïÿò â ñòðîé îáçîðíûå òåëåñêîïû-ãèãàíòû òàêîãî òèïà, êàê LSST (Large Synoptic Survey Telescope) äèàìåòðîì 8,4 ì, ñïîñîáíûé çà 3–4 íî÷è çàðåãèñòðèðîâàòü âñå äîñòóïíîå åìó íåáî äî 24,5m, à ñóììèðîâàíèå êàäðîâ ê 2030 ã. óëó÷øèò ýòî çíà÷åíèå äî 27,5m. Ýòî ïîçâîëèò íå òîëüêî ïðîáèòü ïûëåâóþ çàâåñó íà çíà÷èòåëüíî áîëüøóþ ãëóáèíó, ÷åì ñåé÷àñ, íî è äîòÿíóòüñÿ äî ñàìûõ äàëåêèõ è áåäíûõ çâåçäàìè ñêîïëåíèé â ãàëî Ãàëàêòèêè. Ïîêà òàêèå ñêîïëåíèÿ îáíàðóæèâàþòñÿ ëèøü â îòíîñèòåëüíîé áëèçîñòè — íå äàëåå 50 êïê, ïîñêîëüêó ãëóáèíà íûíåøíèõ îáçîðîâ íå ïðåâûøàåò 22,5m. Îäíàêî è íà ýòèõ ðàññòîÿíèÿõ óæå îáíàðóæåíû çàìå÷àòåëüíûå îáúåêòû.  2010–2012 ãã. ïî ðåçóëüòàòàì îáçîðà SDSS è ïðîãðàììû SEGUE (Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration) áûëè îòêðûòû äâà ìàëåíüêèõ ñïóòíèêà Ãàëàêòèêè: ñêîïëåíèå Segue 3 íà ðàññòîÿíèè 17 êïê îò íàñ, èìåþùåå ñâåòèìîñòü îêîëî 170 LA è ñêîïëåíèå Ìóíüîç 1 (Muñoz 1) íà ðàññòîÿíèè 45 êïê, ñîäåðæàùåå âñåãî îêîëî 500 çâåçä ñ îáùåé ñâåòèìîñòüþ îêîëî 120 LA. Îáà îíè î÷åíü ñòàðûå è áåäíûå ìåòàëëàìè, ò. å. ýòî äðåâíèå øàðîâûå ñêîïëåíèÿ, õîòÿ è ÷ðåçâû÷àéíî ìàëåíüêèå. Íåñêîëüêèìè ãîäàìè ðàíåå â ãàëî Ãàëàêòèêè áûëè îáíàðóæåíû òàêèå æå ìàëåíüêèå äðåâíèå ñêîïëåíèÿ: Willman 1 (38 êïê, 500 LA), Boötes II (42 êïê, 1000 LA), Segue 1 (23 êïê, 300 L¤) è Segue 2 (35 êïê, 800 LA). Èõ èññëåäîâàíèå óæå ïðîäâèíóëîñü äîñòàòî÷íî äàëåêî è ïîêàçàëî óäèâèòåëüíûé ðåçóëüòàò: ýòè êðîøêè âåñüìà ìàññèâíû. Îòíîøåíèå ìàññà/ñâåòèìîñòü ñîñòàâëÿåò ó íèõ ñîòíè è, ìîæåò áûòü, äàæå òûñÿ÷è (Segue 1) ñîëíå÷íûõ åäèíèö! Èíûìè ñëîâàìè, â íèõ äîìèíèðóåò òåìíàÿ ìàòåðèÿ. Âåðîÿòíî, â ãàëî åùå íåìàëî òàêèõ. Ñ ýòîé ïîïóëÿöèåé Ãàëàêòèêè àñòðîíîìàì åùå ïðåäñòîèò ïîçíàêîìèòüñÿ. Âîçìîæíî, ýòî ñàìûå ïåðâûå ñòðóêòóðíûå ýëåìåíòû Âñåëåííîé, ñòðîèòåëüíûå áëîêè ñîâðåìåííûõ ãàëàêòèê.
7.5. Êèíåìàòèêà ãàëàêòèê Íàø çåìíîé ìèð â îñíîâíîì ñòàòè÷åí: íàñ îêðóæàþò ïðåäìåòû çàìûñëîâàòîé è ïðè ýòîì íåèçìåííîé ôîðìû — äîìà, ìàøèíû, ìåáåëü, ïîñóäà, êíèãè, êîìïüþòåðû… Ëîæàñü ñïàòü, ìû óâåðåíû, ÷òî óòðîì ýòè ïðåäìåòû áóäóò òàêèìè æå, êàê íàêàíóíå âå÷åðîì. Ýòèì ñâîéñòâîì íàøà «ëîêàëüíàÿ âñåëåííàÿ» îáÿçàíà ýëåêòðîñòàòè÷åñêèì ñèëàì, ñèëàì Âàí-äåð-Âààëüñà, äåéñòâóþùèì ìåæäó àòîìàìè è ìîëåêóëàìè, îáúåäèíÿþùèìè â ñåáå ýëåêòðè÷åñêèå çàðÿäû ðàçíîãî çíàêà. Èìåííî ýòî ñâîéñòâî âåùåñòâà îáåñïå÷èâàåò åìó òâåðäîñòü â îïðåäåëåííîì èíòåðâàëå òåìïåðàòóðû. Íî â Áîëüøîé Âñåëåííîé ñèëû Âàí-äåð-Âà-
278
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
àëüñà íè÷òîæíû, â êîñìîñå öàðñòâóåò ãðàâèòàöèÿ. Ãðàâèòàöèîííûå çàðÿäû — ìàññû òåë — èìåþò ëèøü îäèí çíàê; îíè íå ñïîñîáíû îòòàëêèâàíèåì êîìïåíñèðîâàòü âçàèìíîå ïðèòÿæåíèå. Ïîýòîìó âñå êîñìè÷åñêèå òåëà íàõîäÿòñÿ â íåïðåðûâíîì äâèæåíèè: ÷àñòèöû ïëàçìû äâèæóòñÿ â íåäðàõ çâåçä, ïëàíåòû êðóæàò âîêðóã çâåçä, ñàìè çâåçäû ì÷àòñÿ â ãàëàêòèêàõ è ò. ä. Èçó÷èòü ñòðóêòóðó êàêîé-ëèáî ãàëàêòèêè îçíà÷àåò èññëåäîâàòü õàðàêòåð äâèæåíèÿ åå êîìïîíåíòîâ: èçìåðèòü âðàùåíèå ãàëàêòèêè êàê öåëîãî è îòäåëüíûõ åå ïîäñèñòåì, âûÿñíèòü äâèæåíèå êðóïíîìàñøòàáíûõ ïîòîêîâ çâåçä è ãàçà, îïðåäåëèòü îðáèòû çâåçäíûõ ñêîïëåíèé è òàê âïëîòü äî îðáèò îòäåëüíûõ çâåçä. Õàðàêòåð äâèæåíèÿ ðàçëè÷íûõ ÷àñòåé ãàëàêòèêè â ñîâîêóïíîñòè ñ äðóãèìè èõ ñâîéñòâàìè (âîçðàñòîì, õèìè÷åñêèì ñîñòàâîì è ïð.) ìîæåò — ìû íàäååìñÿ — ðàññêàçàòü íàì î ïðîèñõîæäåíèè è ýâîëþöèè ñàìîé ãàëàêòèêè. 7.5.1. Âðàùåíèå ãàëàêòèê Âðàùåíèå — íåîòúåìëåìîå ñâîéñòâî ãàëàêòèê ëþáîãî ìîðôîëîãè÷åñêîãî òèïà. Ïîñêîëüêó ãàëàêòèêà — íå ñïëîøíîå òåëî, à ñîâîêóïíîñòü îòäåëüíûõ îáúåêòîâ, óäåðæèâàåìûõ îáùèì ãðàâèòàöèîííûì ïîëåì, åå ðàçëè÷íûå ñîñòàâëÿþùèå ìîãóò èìåòü ðàçíûå ñêîðîñòè âðàùåíèÿ äàæå íà îäíîì è òîì æå ðàññòîÿíèè îò öåíòðà. Òåðìèí «ñêîðîñòü âðàùåíèÿ» îòíîñÿò, êàê ïðàâèëî, ê ñàìûì áûñòðî âðàùàþùèìñÿ êîìïîíåíòàì ãàëàêòèê — ê èõ äèñêàì. Çâåçäû è ãàç, îáðàçóþùèå äèñê, äâèæóòñÿ âîêðóã öåíòðà ìàññ ãàëàêòèêè ïî îðáèòàì, áëèçêèì ê êðóãîâûì ñ õàðàêòåðíûì ïåðèîäîì îò íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ äî íåñêîëüêèõ ñîòåí ìèëëèîíîâ ëåò. Îòêëîíåíèÿ îò êðóãîâûõ äâèæåíèé âðàùàþùèõñÿ äèñêîâ îáû÷íî ñâÿçàíû ñî ñòðóêòóðíûìè äåòàëÿìè ãàëàêòèê: íàëè÷èåì áàðà èëè ñïèðàëüíûõ âåòâåé, ëèáî æå (â ñëó÷àå ãàçà) — ñ îáëàñòÿìè èíòåíñèâíîãî çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Ñèëüíûå íåêðóãîâûå äâèæåíèÿ ãàçà è çâåçä ÷àñòî èìåþò ìåñòî âî âçàèìîäåéñòâóþùèõ è âçàèìíî ïðîíèêàþùèõ ãàëàêòèêàõ. Îòäåëüíûå çâåçäû, çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ è ãàçîâûå îáëàêà íåïðåðûâíî äâèæóòñÿ â ãàëàêòèêå, ïðè÷åì êàæäûé îáúåêò îïèñûâàåò ñëîæíóþ íåçàìêíóòóþ òðàåêòîðèþ âîêðóã öåíòðà ìàññ ãàëàêòèêè. Íî íåïîñðåäñòâåííî èçìåðèòü ïåðåìåùåíèå çâåçä èëè îáëàêîâ ãàçà íåâîçìîæíî. Îïðåäåëåíèå ñêîðîñòè äâèæåíèÿ ðàçëè÷íûõ îáúåêòîâ îñíîâàíî íà ýôôåêòå Äîïëåðà è ïðîèçâîäèòñÿ ïî èçìåðåíèÿì ñäâèãà ëèíèé â èõ ñïåêòðàõ. Äëÿ çâåçä ýòî ëèíèè ïîãëîùåíèÿ, äëÿ îáëàêîâ èîíèçîâàííîãî ãàçà — îïòè÷åñêèå ëèíèè èçëó÷åíèÿ. Äëÿ îáëàêîâ õîëîäíîãî ãàçà, íå èçëó÷àþùåãî ñâåò, èñïîëüçóþòñÿ ðàäèîëèíèè àòîìîâ âîäîðî-
7.5. Êèíåìàòèêà ãàëàêòèê
279
äà (21 ñì) èëè ìîëåêóëÿðíûõ ñîåäèíåíèé, ïðåæäå âñåãî ìîëåêóëû ÑÎ (ïîñêîëüêó ó ãîðàçäî áîëåå ðàñïðîñòðàíåííîé ìîëåêóëû H2 íåò ëèíèé â ðàäèîäèàïàçîíå). Áîëüøèíñòâî ðàäèîëèíèé ìîëåêóë ëåæèò â ñàíòèìåòðîâîì è ìèëëèìåòðîâîì äèàïàçîíàõ. Ðàçóìååòñÿ, äîïëåðîâñêèå èçìåðåíèÿ äàþò ëèøü âåëè÷èíó ïðîåêöèè ñêîðîñòè íà ëó÷ çðåíèÿ, à âîññòàíîâëåíèå ïîëíîãî âåêòîðà ñêîðîñòè òðåáóåò îïðåäåëåííûõ ïðåäïîëîæåíèé î õàðàêòåðå äâèæåíèÿ îáúåêòîâ, íàïðèìåð î íàêëîíå äèñêà ê ëó÷ó çðåíèÿ (íà ïðàêòèêå åãî ÷àñòî èçìåðÿþò ïî âèäèìîé ñïëþñíóòîñòè äèñêà). Îöåíêà ñêîðîñòåé ãàçà è çâåçä â ãàëàêòèêàõ èìååò îäíó îñîáåííîñòü: îáúåêòû, ñêîðîñòè êîòîðûõ îïðåäåëÿþòñÿ, îáû÷íî íå âèäíû ïî îòäåëüíîñòè, òàê ÷òî èçìåðåíèÿ äàþò íåêîòîðûå ñðåäíèå çíà÷åíèÿ ñêîðîñòåé â äàííîì ìåñòå ãàëàêòèêè. Ïðè ýòîì êàæäàÿ çâåçäà èëè îáëàêî ãàçà ìîæåò èìåòü ñêîðîñòü, çàìåòíî îòëè÷àþùóþñÿ îò ñðåäíåé. Ïîýòîìó ÷àñòî ãîâîðÿò íå î ñêîðîñòè îòäåëüíûõ îáúåêòîâ, à î ñêîðîñòè ãàçà èëè çâåçä äàííîãî òèïà â îïðåäåëåííîé îáëàñòè ãàëàêòèêè. Ñêîðîñòè äâèæåíèÿ ãàçà è çâåçä ñîñòàâëÿþò îò íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ êèëîìåòðîâ â ñåêóíäó â êàðëèêîâûõ ãàëàêòèêàõ äî 200–300 êì/ñ (â ðåäêèõ ñëó÷àÿõ — äî 400 êì/ñ) â ãèãàíòñêèõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèêàõ. Ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè, íå îáëàäàþùèå çàìåòíûìè çâåçäíûìè äèñêàìè, âðàùàþòñÿ î÷åíü ìåäëåííî (äåñÿòêè êì/ñ), íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî ñðåäíèå ñêîðîñòè äâèæåíèÿ îáðàçóþùèõ èõ çâåçä îáû÷íî íà ïîðÿäîê âûøå. Èçìåðåíèÿ ñêîðîñòåé âðàùåíèÿ ãàëàêòèê (ó äèñêîâûõ ñèñòåì) è äèñïåðñèè ñêîðîñòåé èõ çâåçä (ó ýëëèïòè÷åñêèõ ñèñòåì) äàþò âîçìîæíîñòü îöåíêè èõ ïîëíîé ìàññû, à òàêæå ìàññû èõ îòäåëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ, â òîì ÷èñëå òåìíîãî ãaëî. Ãàëàêòèêè âðàùàþòñÿ íå êàê òâåðäûå òåëà: îðáèòàëüíûé ïåðèîä ( T ) îáúåêòîâ âîçðàñòàåò ñ óâåëè÷åíèåì ðàññòîÿíèÿ (R) îò öåíòðà âðàùåíèÿ, ò. å. öåíòðà ìàññ ãàëàêòèêè, ñëåäîâàòåëüíî, óãëîâàÿ ñêîðîñòü îáðàùåíèÿ âîêðóã öåíòðà (Ù) óìåíüøàåòñÿ ñ ðàññòîÿíèåì. Íî ëèíåéíàÿ ñêîðîñòü (V = ÙR º 2ðR/T ) âåäåò ñåáÿ áîëåå ñëîæíî. Çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè âðàùåíèÿ îò ðàññòîÿíèÿ îò öåíòðà ãàëàêòèêè íàçûâàþò êðèâîé âðàùåíèÿ. Ðàçóìååòñÿ, ó êàæäîé ïîäñèñòåìû (äèñê, áàëäæ, ãàëî…) ñâîÿ êðèâàÿ âðàùåíèÿ: ÷åì ïîäñèñòåìà áîëåå ïëîñêàÿ, òåì ñêîðîñòü åå âðàùåíèÿ íà äàííîì R áëèæå ê ñêîðîñòè êðóãîâîãî äâèæåíèÿ Vc(R), ò. å. ê ñêîðîñòè äâèæåíèÿ ÷àñòèöû ïî êðóãîâîé îðáèòå ðàäèóñà R. Çíàíèå Vc(R) î÷åíü âàæíî, ïîñêîëüêó ïîçâîëÿåò âû÷èñëèòü ðàñïðåäåëåíèå ìàññû â ãàëàêòèêå. Íàïðèìåð, â ïðîñòåéøåì ñëó÷àå ñôåðè÷åñêè ñèììåòðè÷íîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ìàññû êðóãîâàÿ ñêîðîñòü — ýòî ôàêòè÷åñêè ïåðâàÿ êîñìè÷åñêàÿ ñêîðîñòü, çàâèñÿùàÿ òîëüêî îò ìàñ-
280
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
ñû âíóòðè îðáèòû: Vc2 (R) = GM(R)/R.  ýòîì ñëó÷àå ðàñïðåäåëåíèå ìàññû â ãàëàêòèêå ïðÿìî ñëåäóåò èç åå êðèâîé êðóãîâîé ñêîðîñòè: M(R) = RVc2 (R)/G. Íî ñëåäóåò ïîìíèòü, ÷òî ïðÿìî èçìåðèòü Vc(R) íåâîçìîæíî: äëÿ ýòîãî íåîáõîäèìî áûëî áû èçìåðèòü ñêîðîñòè îáúåêòîâ, äâèæóùèõñÿ íà ðàçíûõ R ïî ñòðîãî êðóãîâûì îðáèòàì. Íà ïðàêòèêå âìåñòî Vc(R) îáû÷íî èñïîëüçóþò êðèâóþ âðàùåíèÿ äèñêà, ïîñêîëüêó ýòî ñàìàÿ ïëîñêàÿ ïîäñèñòåìà ãàëàêòèêè, îáúåêòû êîòîðîé (ìîëîäûå çâåçäû, ãàçîâûå îáëàêà) äâèæóòñÿ ïî ïî÷òè êðóãîâûì îðáèòàì â ñðåäíåì ñ ïî÷òè êðóãîâîé ñêîðîñòüþ; ê òîìó æå êðèâàÿ âðàùåíèÿ äèñêà ëåã÷å âñåãî èçìåðÿåòñÿ èç-çà íàëè÷èÿ â íåì ãàçà è ÿðêèõ çâåçä. Íî ïðè ýòîì íåëüçÿ çàáûâàòü, ÷òî â îáëàñòè öåíòðà ãàëàêòèêè íàáëþäàåìàÿ êðèâàÿ âðàùåíèÿ äèñêà ñóùåñòâåííî îòëè÷àåòñÿ îò Vc(R). Ýôôåêòû ïðîåêöèè, îãðàíè÷åííîãî óãëîâîãî ðàçðåøåíèÿ òåëåñêîïà è âîçðàñòàþùåãî âêëàäà áàëäæà â ïîâåðõíîñòíóþ ÿðêîñòü ãàëàêòè÷åñêîãî ÿäðà ïðèâîäÿò ê òîìó, ÷òî íàáëþäàåìàÿ V(R) ® 0, òîãäà êàê êðóãîâàÿ ñêîðîñòü Vc(R) ñ ïðèáëèæåíèåì ê öåíòðó ãàëàêòèêè íåðåäêî âîçðàñòàåò (èíîãäà — î÷åíü ñèëüíî, åñëè â öåíòðå ãàëàêòèêè íàõîäèòñÿ ñâåðõìàññèâíàÿ ÷åðíàÿ äûðà). Åñëè èñêëþ÷èòü îáëàñòü âáëèçè öåíòðà ãàëàêòèêè, òî ïî ìåðå óäàëåíèÿ îò íåãî íàáëþäàåìàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ îáû÷íî âîçðàñòàåò («êðèâàÿ âðàùåíèÿ ðàñòåò») è äîñòèãàåò ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ, êàê ïðàâèëî, íà ðàññòîÿíèè íåñêîëüêèõ êèëîïàðñåêîâ, ïîñëå ÷åãî ìàëî ìåíÿåòñÿ ñ óäàëåíèåì îò öåíòðà. Âñòðå÷àþòñÿ è áîëåå ñëîæíûå ñëó÷àè. Íàïðèìåð, â íåêîòîðûõ ìàññèâíûõ ãàëàêòèêàõ íàáëþäàåòñÿ äèíàìè÷åñêè îáîñîáëåííûé è áûñòðî âðàùàþùèéñÿ îêîëîÿäåðíûé çâåçäíî-ãàçîâûé äèñê ðàäèóñîì â íåñêîëüêî ñîòåí ïàðñåêîâ. Ïëîñêîñòü òàêèõ äèñêîâ ÷àñòî íå ñîâïàäàåò ñ ïëîñêîñòüþ îñíîâíîãî äèñêà. Ìàêñèìàëüíûå ñêîðîñòè âðàùåíèÿ ãàëàêòèê â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ çàêëþ÷åíû â ïðåäåëàõ 20–100 êì/ñ äëÿ êàðëèêîâûõ íåïðàâèëüíûõ ãàëàêòèê è 200–400 êì/ñ äëÿ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê-ãèãàíòîâ.  îòäåëüíûõ ñëó÷àÿõ çíà÷åíèÿ ñêîðîñòåé âûõîäÿò çà óêàçàííûå ïðåäåëû.  ñðåäíåì ìàêñèìàëüíàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ òåì áîëüøå, ÷åì âûøå ñâåòèìîñòü ãàëàêòèêè èëè ìàññà åå äèñêà. Íàéäåííóþ èç íàáëþäåíèé ñðåäíþþ çàâèñèìîñòü ìåæäó ìàêñèìàëüíîé ñêîðîñòüþ âðàùåíèÿ è ñâåòèìîñòüþ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê íàçûâàþò çàâèñèìîñòüþ Òàëëè—Ôèøåðà (Tully—Fisher relation). Áëèçêóþ ïî ôèçè÷åñêîìó ñìûñëó çàâèñèìîñòü ìåæäó ñâåòèìîñòüþ è öåíòðàëüíîé äèñïåðñèåé ñêîðîñòåé çâåçä ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê íàçûâàþò çàâèñèìîñòüþ Ôàáåð—Äæåêñîíà (Faber—Jackson relation).
7.5. Êèíåìàòèêà ãàëàêòèê
Ðèñ. 7.30. Êðèâûå âðàùåíèÿ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê ðàçëè÷íîãî òèïà (ïî Ñîôþ è äð., 2001)
281
282
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ïîñêîëüêó èçìåðåííîå çíà÷åíèå êðóãîâîé ñêîðîñòè èëè äèñïåðñèè ñêîðîñòåé íå çàâèñèò îò ðàññòîÿíèÿ äî ãàëàêòèêè, à âèäèìûé áëåñê çàâèñèò îò ðàññòîÿíèÿ è ñâåòèìîñòè, çàâèñèìîñòè Òàëëè—Ôèøåðà è Ôàáåð—Äæåêñîíà èñïîëüçóþò äëÿ îïðåäåëåíèÿ èëè óòî÷íåíèÿ ðàññòîÿíèÿ äî ãàëàêòèê, à òàêæå äëÿ ñðàâíåíèÿ ôîòîìåòðè÷åñêèõ è äèíàìè÷åñêèõ ñâîéñòâ ðàçëè÷íûõ ãàëàêòèê. Íàïðàâëåíèÿ îñåé âðàùåíèÿ ãàëàêòè÷åñêèõ äèñêîâ ìîãóò ðàçëè÷àòüñÿ äàæå ó áëèçêèõ äðóã ê äðóãó ãàëàêòèê. Îò õàðàêòåðà âðàùåíèÿ ãàëàêòèêè çàâèñèò ôîðìà è îðèåíòàöèÿ ñïèðàëüíûõ âåòâåé â åå äèñêå. Çà ðåäêèìè èñêëþ÷åíèÿìè íàïðàâëåíèå âðàùåíèÿ ãàëàêòèêè òàêîâî, ÷òî êîíöû ñïèðàëüíûõ âåòâåé îáðàùåíû «íàçàä» (çàêðó÷èâàþùèåñÿ âåòâè). Ñóììèðóåì îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè âðàùåíèÿ ãàëàêòèê. Ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè. Ðàçëè÷íûå êîìïîíåíòû äèñêîâûõ ãàëàêòèê èìåþò ðàçíûå ñêîðîñòè âðàùåíèÿ. Ìåäëåííåå âñåãî âðàùàåòñÿ çâåçäíûé áàëäæ è çâåçäíîå ãàëî: èõ ñêîðîñòè âðàùåíèÿ ïî÷òè òàêèå æå íåáîëüøèå, êàê ó ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê. Çâåçäû è ãàç â ãàëàêòè÷åñêîì äèñêå âðàùàþòñÿ áûñòðåå, ïîòîìó ÷òî ñêîðîñòè âñåõ îáúåêòîâ äèñêà áîëåå óïîðÿäî÷åííû: îíè äâèæóòñÿ ïðåèìóùåñòâåííî â îäíîì íàïðàâëåíèè. Íàèáîëüøåé óïîðÿäî÷åííîñòüþ îòëè÷àþòñÿ ñêîðîñòè îáëàêîâ ãàçà è ìîëîäûõ çâåçä. Èõ îðáèòû â äèñêå ãàëàêòèêè áëèçêè ê êðóãîâûì, ïîýòîìó ñêîðîñòè ýòèõ îáúåêòîâ ÷àñòî íàçûâàþò ñêîðîñòÿìè êðóãîâîãî âðàùåíèÿ, èëè êðóãîâûìè ñêîðîñòÿìè. Õàðàêòåðíûé âèä êðèâûõ âðàùåíèÿ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê ïîêàçàí íà ðèñ. 7.30. Ñïèðàëüíûå âåòâè ìîãóò âûçûâàòü çàìåòíûå îòêëîíåíèÿ ñêîðîñòåé âðàùåíèÿ îò êðóãîâîé ñêîðîñòè, íî àìïëèòóäà ýòèõ oòêëîíåíèé îáû÷íî íåâåëèêà è, êàê ïðàâèëî, íå ïðåâîñõîäèò 20–30 êì/ñ. Çíà÷èòåëüíî áîëåå ñóùåñòâåííûå îòêëîíåíèÿ ñêîðîñòè îò êðóãîâîé íàáëþäàþòñÿ âî âçàèìîäåéñòâóþùèõ ãàëàêòèêàõ, à òàêæå â ëîêàëüíûõ îáëàñòÿõ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, ãäå âîçäåéñòâèå ìàññèâíûõ çâåçä íà ãàç âûçûâàåò íàãðåâ è ðàñøèðåíèå ìåæçâåçäíîé ñðåäû. Ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè. Ñêîðîñòè çâåçä â íèõ òåì áîëüøå, ÷åì ìàññèâíåå ãàëàêòèêà, íî ñêîðîñòè ñîñåäíèõ çâåçä, êàê ïðàâèëî, èìåþò ðàçëè÷íîå íàïðàâëåíèå, òàê ÷òî ñðåäíåå çíà÷åíèå ñêîðîñòè â êàæäîì ëîêàëüíîì îáúåìå ãàëàêòèêè îêàçûâàåòñÿ íåáîëüøèì. Ïîýòîìó äàæå ïðè âûñîêèõ ñêîðîñòÿõ äâèæåíèÿ çâåçä âðàùåíèå ãàëàêòèêè êàê öåëîãî äîâîëüíî ìåäëåííîå — íåñêîëüêî äåñÿòêîâ êèëîìåòðîâ ñåêóíäó. Ëþáîïûòíî, ÷òî ñòåïåíü ñæàòèÿ ãàëàêòèêè, âîïðåêè îæèäàíèÿì, îêàçàëàñü íå ñâÿçàííîé ñî ñêîðîñòüþ åå âðàùåíèÿ: ìåäëåííî âðà-
7.5. Êèíåìàòèêà ãàëàêòèê
283
ùàþùàÿñÿ ãàëàêòèêà ìîæåò èìåòü êàê øàðîîáðàçíóþ, òàê è ñïëþñíóòóþ ôîðìó. Íåïðàâèëüíûå ãàëàêòèêè. Ýòî ìåäëåííî âðàùàþùèåñÿ ñèñòåìû. Êàê è â äèñêàõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê, ñêîðîñòè âðàùåíèÿ ãàçà è çâåçä â íèõ áëèçêè ê êðóãîâûì.  îòëè÷èå îò ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê, íèçêàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ íåïðàâèëüíûõ ãàëàêòèê — ñëåäñòâèå èõ ìàëîé ìàññû. 7.5.2. Ãèïåðñêîðîñòíûå çâåçäû Ïðè èçó÷åíèè êèíåìàòèêè Ãàëàêòèêè â ïîñëåäíèå ãîäû îáíàðóæåí íîâûé ôåíîìåí — ãèïåðñêîðîñòíûå çâåçäû (hypervelocity stars, HVSs). Ðå÷ü èäåò î çâåçäàõ, äâèæóùèõñÿ ñ îãðîìíîé ñêîðîñòüþ, ïîðÿäêà 1000 êì/ñ. Ýòî ñóùåñòâåííî áîëüøå âòîðîé êîñìè÷åñêîé ñêîðîñòè, ò. å. ñêîðîñòè óáåãàíèÿ èç ëþáîé îáëàñòè Ãàëàêòèêè. Äàæå â öåíòðå Ãàëàêòèêè îíà ñîñòàâëÿåò îêîëî 600 êì/ñ, à â ðàéîíå îðáèòû Ñîëíöà ñíèæàåòñÿ ïðèìåðíî äî 450 êì/ñ. Åñëè æå ó÷åñòü, ÷òî ãèïåðñêîðîñòíàÿ çâåçäà íà òàêîé îãðîìíîé ñêîðîñòè ïðàêòè÷åñêè íå èñïûòûâàåò ãðàâèòàöèîííîãî ðàññåèâàíèÿ íà äðóãèõ çâåçäàõ (ðàçäåë 3.9), òî ÿñíî, ÷òî ýòîò «ñíàðÿä» íå ìîæåò çàäåðæàòüñÿ â Ãàëàêòèêå è ñïîñîáåí ëèøü îäíîêðàòíî ïåðåñå÷ü åå è ïîêèíóòü. Íåêîòîðûå èññëåäîâàòåëè ñ÷èòàþò, ÷òî ãèïåðñêîðîñòíûå çâåçäû âëåòåëè â Ãàëàêòèêó ñî ñòîðîíû âìåñòå ñ ïîãëîùåííûìè åþ ãàëàêòèêàìè-ñïóòíèêàìè, äðóãèå ïîëàãàþò, ÷òî îíè âûáðàñûâàþòñÿ èç öåíòðà Ãàëàêòèêè â ðåçóëüòàòå âçàèìîäåéñòâèÿ ñî ñâåðõìàññèâíîé öåíòðàëüíîé ÷åðíîé äûðîé. Âïåðâûå íà âîçìîæíîñòü ñóùåñòâîâàíèÿ òàêèõ çâåçä îáðàòèë âíèìàíèå àìåðèêàíñêèé òåîðåòèê Äæåê Õèëëñ (J. G. Hills) â 1988 ã. Ïðîñòûå ôèçè÷åñêèå ñîîáðàæåíèÿ óêàçûâàþò, à êîìïüþòåðíûå ìîäåëè ïîäòâåðæäàþò, ÷òî ñâåðõñêîðîñòíûå çâåçäû äîëæíû áûòü åñòåñòâåííûì ðåçóëüòàòîì ñëèøêîì òåñíîãî ïðîõîäà äâîéíîé çâåçäíîé ñèñòåìû áëèç ìàññèâíîé ÷åðíîé äûðû. Èìåííî òàêàÿ ÷åðíàÿ äûðà ìàññîé îêîëî 4 · 106 MA ðàñïîëîæåíà â öåíòðå íàøåé ãàëàêòèêè. Êîãäà äâîéíàÿ çâåçäà îêàçûâàåòñÿ âáëèçè ìàññèâíîé ÷åðíîé äûðû, ìîùíàÿ ãðàâèòàöèÿ äûðû ìîæåò ðàçîðâàòü äâîéíóþ ñèñòåìó. Ïðè ýòîì ÷åðíàÿ äûðà çàõâàòûâàåò îäíó èç çâåçä, à âòîðóþ âûáðàñûâàåò ñ îãðîìíîé ñêîðîñòüþ íàðóæó. ×åì áîëåå òåñíîé áûëà äâîéíàÿ ñèñòåìà, òåì ýôôåêòèâíåå ðàáîòàåò ýòîò ìåõàíèçì. Ïåðâóþ ãèïåðñêîðîñòíóþ çâåçäó îáíàðóæèëè â 2005 ã. ñ ïîìîùüþ Ìíîãîçåðêàëüíîãî òåëåñêîïà MMT â Àðèçîíå. Ýòî çâåçäà SDSS J090745.0+024507 ñïåêòðàëüíîãî êëàññà B9, óäàëåííàÿ îò íàñ íà 71 êïê è ëåòÿùàÿ ñêâîçü ãàëî Ãàëàêòèêè ñî ñêîðîñòüþ 850 êì/ñ, ÷òî âäâîå
284
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
áîëüøå ñêîðîñòè îòðûâà, ìèíèìàëüíî íåîáõîäèìîé äëÿ âûëåòà èç òîé îáëàñòè Ãàëàêòèêè âî âíåãàëàêòè÷åñêîå ïðîñòðàíñòâî. Îòêðûòèå ýòîé çâåçäû òàê îøåëîìèëî àñòðîíîìîâ, ÷òî åé äàæå äàëè ïðîçâèùå «Outcast star» — èçãíàííàÿ, îòâåðãíóòàÿ çâåçäà. Çàòåì åâðîïåéñêèå àñòðîíîìû îòêðûëè åùå äâå ïîäîáíûå çâåçäû, îäíà èç êîòîðûõ, êàê ñíà÷àëà êàçàëîñü, âûëåòåëà èç ñîñåäíåé ãàëàêòèêè Áîëüøîå Ìàãåëëàíîâî Îáëàêî; íî äàëüíåéøèå èññëåäîâàíèÿ ýòîãî íå ïîäòâåðäèëè. Ñëåäîì áûëè îòêðûòû åùå äâà òàêèõ æå îáúåêòà: îäíà çâåçäà óäàëåíà îò íàñ íà 74 êïê è äâèæåòñÿ îò öåíòðà Ãàëàêòèêè ñî ñêîðîñòüþ îêîëî 556 êì/ñ, à äðóãàÿ óäàëåíà íà 55 êïê è ëåòèò ñî ñêîðîñòüþ 639 êì/ñ. Âñåãî ê 2012 ã. áûëî îáíàðóæåíî îêîëî äâóõ äåñÿòêîâ ãèïåðñêîðîñòíûõ çâåçä, áîëüøèíñòâî èç êîòîðûõ — ïî ðåçóëüòàòàì îáçîðà SDSS. Õîòÿ î ïðîèñõîæäåíèè ãèïåðñêîðîñòíûõ çâåçä åäèíîãî ìíåíèÿ ïîêà íåò, ïîÿâëÿåòñÿ âñå áîëüøå àðãóìåíòîâ çà òî, ÷òî îíè âûëåòåëè èç ñàìîãî ñåðäöà Ãàëàêòèêè, èç îáëàñòè ðàäèóñîì âñåãî 0,04 ïê âîêðóã ìàññèâíîé ÷åðíîé äûðû.  áîëåå îáøèðíîé îáëàñòè ðàäèóñîì îêîëî 0,5 ïê âîêðóã ÷åðíîé äûðû, êðîìå ìíîæåñòâà ñòàðûõ çâåçä (èç íèõ âèäíû ëèøü êðàñíûå ãèãàíòû), îáíàðóæåíî òàêæå áîëåå ñîòíè ìîëîäûõ ìàññèâíûõ çâåçä ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ Î,  è Âîëüôà— Ðàéå. Âåðîÿòíî, ýòè ìîëîäûå çâåçäû ñôîðìèðîâàëèñü íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ëåò íàçàä â åäèíîì ñîáûòèè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Äâèæóòñÿ îíè äîâîëüíî ðåãóëÿðíî, ïî êðóãó, îäíè çâåçäû — ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå, äðóãèå — ïðîòèâ, äåìîíñòðèðóÿ ýòèì, ÷òî ñôîðìèðîâàëèñü îíè â îêîëîÿäåðíîì ãàçîâîì äèñêå (èëè äâóõ äèñêàõ). Íî áëèæå ê öåíòðó, â îáëàñòè ðàäèóñîì 0,04 ïê, çàìå÷åíû òîëüêî B-çâåçäû ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè (èõ îáîçíà÷åíèÿ íà÷èíàþòñÿ ñ áóêâû S, îò source — èñòî÷íèê), ïðè÷åì õàðàêòåð èõ äâèæåíèÿ ñîâñåì èíîé: îíè äâèæóòñÿ ïî ñèëüíî âûòÿíóòûì ýëëèïòè÷åñêèì îðáèòàì, ïðîõîäÿ â îïàñíîé áëèçîñòè îò ÷åðíîé äûðû. Ïî ìíåíèþ èññëåäîâàòåëåé, ýòà êàðòèíà ñîãëàñóåòñÿ ñ èäååé î òîì, ÷òî ìîëîäûå äâîéíûå çâåçäû ìîãëè ìèãðèðîâàòü ê öåíòðó äèñêà èëè æå áûòü âûòîëêíóòû òóäà â ðåçóëüòàòå ñáëèæåíèé ñ äðóãèìè çâåçäàìè è òàêèì îáðàçîì, ñáëèçèâøèñü ñ ÷åðíîé äûðîé, ìîãëè áûòü ðàçîðâàíû ïðèëèâíûì ýôôåêòîì åå ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ. Ïîñëå ðàñïàäà äâîéíîé çâåçäû îäèí åå êîìïîíåíò äîëæåí ïðèòîðìîçèòüñÿ è ïåðåéòè íà âûòÿíóòóþ ýëëèïòè÷åñêóþ îðáèòó âîêðóã ÷åðíîé äûðû, à âòîðîé êîìïîíåíò — ñ áîëüøîé ñêîðîñòüþ ïîêèíóòü ÿäðî Ãàëàêòèêè. Ñ ýòèìè óñêîðèâøèìèñÿ âòîðûìè êîìïîíåíòàìè è ñâÿçûâàþò ïîÿâëåíèå ãèïåðñêîðîñòíûõ çâåçä. Èññëåäîâàíèÿ ãèïåðñêîðîñòíûõ çâåçä òîëüêî íà÷èíàþòñÿ, è ïîêà â îòíîøåíèè íèõ ìíîãîå íåÿñíî. Íàïðèìåð, êàê ñòîëü ìàññèâíûå çâåçäû
285
7.5. Êèíåìàòèêà ãàëàêòèê Ïðÿìîå âîñõîæäåíèå 0,0" +0,2"
+0,4"
–0,2"
+0,5" S12
S1
+0,4"
+0,3"
S14 +0,2"
S2
Ñêëîíåíèå
+0,1"
0,0"
–0,1" –0,2"
S13 –0,3"
–0,4"
S8
Îðáèòû íåêîòîðûõ òåë Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû (Ñåäíû, Ýðèäû, Ïëóòîíà è Íåïòóíà) â òîì æå ìàñøòàáå äëÿ ñðàâíåíèÿ
–0,5" Ðèñ. 7.31. Òðàåêòîðèè íåêîòîðûõ çâåçä âîêðóã ìàññèâíîé ÷åðíîé äûðû â ÿäðå Ãàëàêòèêè, ïðîñëåæåííûå ñ 1992 ïî 2012 ãã.
óñïåëè ïðåîäîëåòü ðàññòîÿíèå âî ìíîãèå äåñÿòêè êèëîïàðñåêîâ çà îòíîñèòåëüíî êîðîòêîå âðåìÿ ñâîåé æèçíè? Ìàññû B-çâåçä — îò 3,5 äî 15 MA è æèâóò îíè îò 15 äî 220 ìëí ëåò. À êàê ìû ïîìíèì, 1 êì/ñ ´ 1 ìëí ëåò » 1 ïê. Ñëåäîâàòåëüíî, 500 êì/ñ ´ 100 ìëí ëåò » 50 êïê. Òàêèì îáðàçîì, çâåçäà êëàññà B8–B9 (ìàññà îêîëî 3,5 MA, êàê ó áîëüøèíñòâà ãèïåðñêîðîñòíûõ çâåçä), âûëåòåâ â ðàííåé ìîëîäîñòè èç ÿäðà Ãàëàêòèêè ñî ñêîðîñòüþ îêîëî 1000 êì/ñ, óñïåâàåò óéòè çà ïðåäåëû Ãàëàêòèêè. Çâåçäà êëàññà B5 (ìàññà 5,5 MA, âðåìÿ æèçíè 80 ìëí ëåò) óñïåâàåò óéòè äàëåêî â ãàëî, íî çâåçäà êëàññà B3 (ìàññà 8 MA, âðåìÿ æèçíè 35 ìëí ëåò) íå óñïåâàåò. Â ñâÿçè ñ ýòèì îñîáûé èíòåðåñ âûçûâàåò ãèïåðñêîðîñòíàÿ çâåçäà HE 0437-5439, èìåþùàÿ ìàññó 8–9 MA è âðåìÿ æèçíè îêîëî
286
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
30 ìëí ëåò. Åå ñêîðîñòü îòíîñèòåëüíî öåíòðà Ãàëàêòèêè 560 êì/ñ, à ðàññòîÿíèå 62 êïê. Íî çà âðåìÿ æèçíè îíà íå ìîãëà ïðîéòè áîëåå 17 êïê! Ïîýòîìó ñïåöèàëüíî äëÿ íåå ïðèøëîñü èçîáðåòàòü âåñüìà èçîùðåííûé ñöåíàðèé, ñîãëàñíî êîòîðîìó âáëèçè öåíòðàëüíîé ÷åðíîé äûðû áûëà ðàçîðâàíà òðîéíàÿ çâåçäíàÿ ñèñòåìà, ñîñòîÿâøàÿ èç î÷åíü ïëîòíîé äâîéíîé çâåçäû è áîëåå óäàëåííîé îäèíî÷íîé. ×åðíàÿ äûðà îñòàâèëà ïðè ñåáå îäèíî÷íóþ çâåçäó è «âûñòðåëèëà» â ãàëî òåñíóþ äâîéíóþ, êîòîðàÿ ïî ïóòè ñðàâíèòåëüíî íåäàâíî ñëèëàñü â ìàññèâíóþ îäèíî÷íóþ.  ïðèíöèïå ýòî âîçìîæíî, íî âûãëÿäèò êàê-òî óæ î÷åíü èñêóññòâåííî. Õîòåëîñü áû íàéòè èíîå îáúÿñíåíèå ýòîìó ôåíîìåíó, âåäü ïðèðîäà òàê èçîáðåòàòåëüíà! Ïî îöåíêàì òåîðåòèêîâ, ãèïåðñêîðîñòíûå çâåçäû äîëæíû âûáðàñûâàòüñÿ èç öåíòðà Ãàëàêòèêè â ñðåäíåì ðàç â 10–20 òûñ. ëåò. Ïîñòîÿííî â îáúåìå Ãàëàêòèêè äîëæíî áûòü íåñêîëüêî òûñÿ÷ ãèïåðñêîðîñòíûõ çâåçä, îäíàêî îáíàðóæèòü èõ íà ôîíå 100 ìèëëèàðäîâ «ìåäëåííûõ» çâåçä Ãàëàêòèêè íå òàê ïðîñòî. Òåì íå ìåíåå ýòè ïîèñêè ïðîäîëæàþòñÿ, ïîñêîëüêó çâåçäû, âûëåòåâøèå èç îêðåñòíîñòåé öåíòðàëüíîé ÷åðíîé äûðû, ìîãóò êîå-÷òî ðàññêàçàòü íàì î íåé, à òàêæå ìîãóò îêàçàòüñÿ ïîëåçíûìè ðåïåðàìè äëÿ èçó÷åíèÿ òåìíîãî ãàëî Ãàëàêòèêè.
7.6. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ Ýòó òåìó ìû óæå çàòðàãèâàëè â ðàçäåëàõ 3.8, 3.15 è 6.3. Íî ïðîáëåìà òåìíîé ìàòåðèè íàñòîëüêî âàæíà è àêòóàëüíà, ÷òî åå ñëåäóåò îáñóäèòü ïîäðîáíåå. Âåäü äàæå ñïåöèàëèñòû, óâåðåííûå â ñóùåñòâîâàíèè òåìíîé ìàòåðèè, íå ìîãóò ñêàçàòü íè÷åãî îïðåäåëåííîãî î ôèçè÷åñêîé ïðèðîäå ýòîãî âåùåñòâà, äà è óâåðåíû â åãî ñóùåñòâîâàíèè îòíþäü íå âñå. À â íàóêå, êàê èçâåñòíî, extraordinary claims require extraordinary proofs (íåîáû÷íûå çàÿâëåíèÿ òðåáóþò ñâåðõíàäåæíûõ äîêàçàòåëüñòâ). Òåìíàÿ ìàòåðèÿ íàñòîëüêî íå âïèñûâàåòñÿ â ñóùåñòâóþùóþ ôèçè÷åñêóþ òåîðèþ, ÷òî ïðåæäå ÷åì íàñòàèâàòü íà ïåðåñìîòðå òåîðèè, àñòðîíîìû îáÿçàíû îêîí÷àòåëüíî óáåäèòüñÿ â ñóùåñòâîâàíèè ýòîãî íåîáû÷íîãî âåùåñòâà. 7.6.1. Çàãàäî÷íàÿ ñóáñòàíöèÿ Çàãàäêà íåâèäèìîé ìàññû ãàëàêòèê — îäíà èç ñàìûõ âîëíóþùèõ â àñòðîíîìèè. Ìíîãî çàìå÷àòåëüíûõ îòêðûòèé áûëî ñäåëàíî àñòðîíîìàìè â ÕÕ è XXI ââ., íî ãäå è â ôîðìå êàêèõ îáúåêòîâ ñêðûâàåòñÿ íåâèäèìàÿ ìàññà ãàëàêòèê, âûÿñíèòü ïîêà íå óäàëîñü.  ðàçíîå âðåìÿ ðàçíûå àâòîðû ïî-ðàçíîìó íàçûâàëè ýòó çàãàäî÷íóþ ñóáñòàíöèþ: ñêðûòàÿ ìàññà (missing mass), íåâèäèìàÿ ìàññà, òåìíîå âåùåñòâî, òåìíàÿ
7.6. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ
287
ìàòåðèÿ (dark matter). Ãèïîòåçà î ñóùåñòâîâàíèè òåìíîé ìàòåðèè ïîçâîëÿåò òåîðåòèêàì ðåøèòü íåñêîëüêî âàæíûõ êîñìîëîãè÷åñêèõ ïðîáëåì, ñâÿçàííûõ ñ ïåðâè÷íûì íóêëåîñèíòåçîì, ôîðìèðîâàíèåì êðóïíîìàñøòàáíîé ñòðóêòóðû è ñàìèõ ãàëàêòèê. Íî ïîêà íå íàéäåíû íîñèòåëè ýòîãî çàãàäî÷íîãî âåùåñòâà, òåìíàÿ ìàòåðèÿ îñòàíåòñÿ ãèïîòåçîé. Äëÿ àñòðîíîìîâ, èçó÷àþùèõ ãàëàêòèêè è èõ ñêîïëåíèÿ, ïðîáëåìà òåìíîãî âåùåñòâà ñòîèò íåñêîëüêî ýæå: îíè õîòÿò ïîíÿòü, â ÷åì ïðè÷èíà ðàñõîæäåíèÿ â ìàññàõ çâåçäíûõ ñèñòåì, èçìåðåííûõ ðàçíûìè ìåòîäàìè. Ãðóáî ãîâîðÿ, ìàññó çâåçäíîé ñèñòåìû ìîæíî èçìåðèòü äâóìÿ ïóòÿìè: ëèáî ïîäñ÷èòàâ ñóììó ìàññ âñåõ âõîäÿùèõ â ýòè ñèñòåìó îáúåêòîâ, ëèáî âû÷èñëèâ ñèëó ïðèòÿæåíèÿ ýòîé ñèñòåìîé îêðóæàþùèõ åå òåë. Ïåðâûé ïóòü ðåàëèçóåòñÿ ïóòåì ñóììèðîâàíèÿ ìàññ âñåõ íàáëþäàåìûõ â ãàëàêòèêå çâåçä (èñõîäÿ èç èõ ñóììàðíîé ñâåòèìîñòè) è îáëàêîâ ìåæçâåçäíîãî ãàçà ñ ó÷åòîì è òåõ îñòàòêîâ ýâîëþöèè çâåçä, êîòîðûå óæå îñòûëè è ñòàëè ïî÷òè íåâèäèìûìè. Âòîðîé ïóòü çàêëþ÷àåòñÿ â íàáëþäåíèè çà äâèæåíèåì äàëåêèõ ñïóòíèêîâ ãàëàêòèêè — çâåçä è çâåçäíûõ ñêîïëåíèé, êîòîðûå «÷óâñòâóþò» ïðèòÿæåíèå ãàëàêòèêè êàê öåëîãî è ïîä÷èíÿþòñÿ â ñâîåì äâèæåíèè åå îáùåìó ãðàâèòàöèîííîìó ïîëþ. Ìàññó, âû÷èñëåííóþ ïåðâûì ïóòåì, íàçûâàþò íàáëþäàåìîé, à âòîðûì — äèíàìè÷åñêîé. Ðàçíîñòü ýòèõ äâóõ âåëè÷èí (äèíàìè÷åñêàÿ ìàññà ìèíóñ íàáëþäàåìàÿ ìàññà) êàê ðàç è íàçûâàþò ñêðûòîé ìàññîé, èëè íåâèäèìîé ìàññîé, èëè òåìíûì âåùåñòâîì, èëè òåìíîé ìàòåðèåé. Êàê ïîêàçûâàþò íàáëþäåíèÿ, íåâèäèìàÿ ìàññà åñòü ïî÷òè â êàæäîé ãàëàêòèêå. Ïðèñóòñòâèå ýòîé ñêðûòîé ìàññû ÷óâñòâóåòñÿ äàæå â íåáîëüøèõ çâåçäíûõ ñèñòåìàõ — êàðëèêîâûõ ãàëàêòèêàõ. Èçìåðåíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî â öåíòðàëüíûõ ÿðêèõ îáëàñòÿõ ãàëàêòèê íåâèäèìîé ìàññû î÷åíü ìàëî: ïðàêòè÷åñêè âñå ïðèòÿæåíèå ýòèõ îáëàñòåé ìîæíî ñâÿçàòü ñ îáû÷íûìè çâåçäàìè. Íî ÷åì äàëüøå îò öåíòðà ãàëàêòèêè, òåì áîëüøå äîëÿ íåâèäèìîé ìàññû. Íàïðèìåð, â íàøåé Ãàëàêòèêå â îáëàñòè ñîëíå÷íîé îðáèòû (åå ðàäèóñ îêîëî 8 êïê) ïðèáëèçèòåëüíî òðåòü ìàññû íåâèäèìà. À äàëüøå îò öåíòðà Ãàëàêòèêè íåâèäèìàÿ ìàññà íà÷èíàåò äîìèíèðîâàòü: çâåçä è ãàçà òàì ïî÷òè íå âèäíî, à èñòî÷íèê òÿãîòåíèÿ ïðèñóòñòâóåò, äà åùå êàêîé! Äèíàìè÷åñêàÿ ìàññà Ãàëàêòèêè â ðàäèóñå 45 êïê â íåñêîëüêî ðàç áîëüøå, ÷åì ìàññà âíóòðåííåé, âèäèìîé åå ÷àñòè ðàäèóñîì îêîëî 15 êïê. Èç ÷åãî æå ñîñòîèò íåâèäèìîå ãàëî Ãàëàêòèêè?  êàêèå îáúåêòû «ðàñôàñîâàíà» ýòà çàãàäî÷íàÿ ìàññà?  ïðèíöèïå ýòî ìîæåò áûòü ÷òî óãîäíî — îò ãèãàíòñêèõ ÷åðíûõ äûð ñ ìàññàìè â ìèëëèîíû ìàññ Ñîëíöà äî ìåëü÷àéøèõ ñóáú-
288
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
ÿäåðíûõ ÷àñòèö íåèçâåñòíîãî ñîðòà (òèïà íåéòðèíî, íî áîëåå ìàññèâíûõ), êîòîðûå ïðàêòè÷åñêè íå âçàèìîäåéñòâóþò ñ îáû÷íûì âåùåñòâîì, êðîìå êàê ÷åðåç ãðàâèòàöèîííîå ïîëå. Êàê îïðåäåëèòü ìàññó îòäåëüíûõ íåâèäèìûõ îáúåêòîâ? Äàëåå ìû îáñóäèì ýòè âîïðîñû. 7.6.2. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà Ðå÷ü èäåò î òàê íàçûâàåìîé «ëîêàëüíîé òåìíîé ìàòåðèè», ñîñðåäîòî÷åííîé âáëèçè ïëîñêîñòè Ãàëàêòèêè â ðàéîíå Ñîëíöà. Ïåðâîå èññëåäîâàíèå íà ýòó òåìó âûïîëíèë çàìå÷àòåëüíûé ýñòîíñêèé àñòðîíîì Ýðíñò Ýïèê (1893–1985).  1915 ã., áóäó÷è ñòóäåíòîì Ìîñêîâñêîãî óíèâåðñèòåòà, îí îïóáëèêîâàë ðàáîòó, â êîòîðîé ïðåäëîæèë ìåòîä îïðåäåëåíèÿ ïëîòíîñòè âåùåñòâà âáëèçè ïëîñêîñòè Ãàëàêòèêè ïî âåðòèêàëüíûì äâèæåíèÿì çâåçä îòíîñèòåëüíî ýòîé ïëîñêîñòè: ýòî ïîçâîëÿåò íàéòè ïîëíîå êîëè÷åñòâî ãðàâèòèðóþùåé ìàòåðèè, íåçàâèñèìî îò òîãî, ñâåòèòñÿ îíà èëè íåò. Çâåçäû äâèæóòñÿ îòíîñèòåëüíî ïëîñêîñòè ñèììåòðèè ââåðõ-âíèç. ×åì áîëüøå âåðòèêàëüíàÿ ñêîðîñòü, òåì âûøå çâåçäà ìîæåò ïîäíÿòüñÿ íàä ïëîñêîñòüþ Ãàëàêòèêè; ÷åì ñèëüíåå ãðàâèòàöèÿ, òåì ìåíüøå ðàçìàõ êîëåáàíèé çâåçäû. Èçìåðåíèå ñêîðîñòåé çâåçä è èõ ðàññòîÿíèé îò ïëîñêîñòè Ãàëàêòèêè ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü ñèëó ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ è íà îñíîâå ýòîãî âû÷èñëèòü ïëîòíîñòü âåùåñòâà â ïëîñêîñòè Ãàëàêòèêè. Èçó÷àÿ äîñòóïíûå â òó ïîðó äàííûå, Ýïèê íàøåë, ÷òî ïëîòíîñòü âåùåñòâà âáëèçè ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè âïîëíå ñîãëàñóåòñÿ ñ èçâåñòíûì êîëè÷åñòâîì çâåçä. Îòñþäà îí ñäåëàë âûâîä, ÷òî â Ãàëàêòèêå íå ìîæåò áûòü áîëüøîãî êîëè÷åñòâà òåìíîé ìàòåðèè: â ïðîòèâíîì ñëó÷àå åå âëèÿíèå íà âåðòèêàëüíûå äâèæåíèÿ çâåçä áûëî áû çàìåòíûì. Ýòîò âûâîä íà äîëãèå ãîäû ñòàë «âèçèòíîé êàðòî÷êîé» ýñòîíñêèõ àñòðîíîìîâ.  Òàðòóñêîé îáñåðâàòîðèè ñëîæèëàñü ñèëüíàÿ ãðóïïà çâåçäíûõ äèíàìèêîâ: ó÷åíèê Ýïèêà Ãðèãîðèé Êóçìèí è åãî ñîòðóäíèêè — Õåéíî Ýýëñàë, Ìèõêåëü Éûýâýåð, ßàí Ýéíàñòî è äð. Íà âûñîêîì íàó÷íîé óðîâíå îíè íåèçìåííî ïîäòâåðæäàëè âûâîä Ýïèêà îá îòñóòñòâèè ñêîëüêî-íèáóäü çàìåòíîãî êîëè÷åñòâà íåâèäèìîãî âåùåñòâà â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà. Ýòîò âûâîä ðåçêî ðàñõîäèëñÿ ñ ìíåíèåì ìîñêîâñêèõ àñòðîíîìîâ (øêîëà Ï. Ï. Ïàðåíàãî â ÌÃÓ) è ìíåíèåì çàïàäíûõ ñïåöèàëèñòîâ.  Åâðîïå ýòîé ïðîáëåìîé ïåðâûì çàíÿëñÿ ãîëëàíäñêèé àñòðîíîì ßí Îîðò.  îïóáëèêîâàííîé â 1932 ã. ðàáîòå îí íàøåë, ÷òî èçâåñòíûõ çâåçä íåäîñòàòî÷íî äëÿ îáúÿñíåíèÿ âåðòèêàëüíîãî óñêîðåíèÿ çâåçä â Ãàëàêòèêå, âñëåäñòâèå ÷åãî ïðèõîäèòñÿ ïðåäïîëîæèòü íàëè÷èå òåìíîé ìàòåðèè âáëèçè ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè.  1956 ã. ðàáîòàþùèé
7.6. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ
289
â ÑØÀ ãîëëàíäñêèé àñòðîíîì Ìàðòèí Øìèäò (ðèñ. 9.8) îïóáëèêîâàë ðàáîòó, â êîòîðîé ïðåäëîæèë íîâóþ ìîäåëü Ãàëàêòèêè. Îíà, êàê è ðàíåå ðàçðàáîòàííûå â Ãîëëàíäèè ìîäåëè, ïðåäñòàâëÿëà Ãàëàêòèêó íàáîðîì èç ìíîæåñòâà ýëëèïñîèäîâ ðàâíîé ïëîòíîñòè. Íî, â îòëè÷èå îò ïðåæíèõ ìîäåëåé, Øìèäò ïîïûòàëñÿ ïðåäñòàâèòü ðåàëüíûå çâåçäíûå ïîïóëÿöèè è óòî÷íèë çíà÷åíèÿ îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ. Åãî ìîäåëü ïîëó÷èëà î÷åíü øèðîêîå ïðèçíàíèå àñòðîíîìè÷åñêîãî ñîîáùåñòâà.  íåé ïðèâîäèëàñü òàêæå íîâàÿ îöåíêà ïëîòíîñòè âåùåñòâà â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà. Øìèäò íàøåë, ÷òî ïëîòíîñòü âåùåñòâà çàìåòíî ïðåÐèñ. 7.32. ßàí Ýéíàñòî. âîñõîäèò òó âåëè÷èíó, êîòîðàÿ ñëåäóåò èç ïëîòíîñòè çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ. Èíûìè ñëîâàìè, ñîãëàñíî åãî îöåíêå, â ïëîñêîñòè Ãàëàêòèêè èìååòñÿ çíà÷èòåëüíîå êîëè÷åñòâî òåìíîé ìàòåðèè. Ê òàêîìó æå âûâîäó ÷åðåç ïàðó ëåò ïðèøåë è ßí Îîðò, ïðèíÿâ â ðàñ÷åò îòêðûòîå ê òîìó âðåìåíè ìåæçâåçäíîå âåùåñòâî (â îñíîâíîì íåéòðàëüíûé âîäîðîä, íàáëþäàåìûé â ðàäèîëèíèè 21 ñì). Äàæå ñ ó÷åòîì ìåæçâåçäíîé ñðåäû Îîðò êîíñòàòèðîâàë çàìåòíîå êîëè÷åñòâî ìàññû, íå âèäèìîé íè â îïòèêå, íè â ðàäèîäèàïàçîíå. Ðåçóëüòàò ãîëëàíäöåâ ïðèìåðíî â äâà ðàçà îòëè÷àëñÿ îò çíà÷åíèÿ, íàéäåííîãî òàðòóñêèìè àñòðîíîìàìè. Äëÿ îáúÿñíåíèÿ âîçìîæíûõ ïðè÷èí ýòîãî Êóçìèí çàíîâî ïðîàíàëèçèðîâàë ñâîé ìàòåðèàë è òùàòåëüíî ñðàâíèë ðåçóëüòàò ñ ðåçóëüòàòàìè äðóãèõ àâòîðîâ. Îí òàêæå ïîðåêîìåíäîâàë ñâîèì ó÷åíèêàì Õåéíî Ýýëñàëó è Ìèõêåëþ Éûýâýåðó çàíîâî îïðåäåëèòü ïëîòíîñòü íà îñíîâå íîâîãî íàáëþäàòåëüíîãî ìàòåðèàëà è ïî èíîé ìåòîäèêå. Ðåçóëüòàòû Ýýëñàëó áûëè ãîòîâû â 1959 ã., Éûýâýåð îïóáëèêîâàë ñâîè ðåçóëüòàòû â 1972–1974 ãã. Êàê íîâûé àíàëèç ñàìîãî Êóçìèíà, òàê è ðåçóëüòàòû Ýýëñàëó è Éûýâýåðà ïîäòâåðäèëè ðàííèå âûâîäû Êóçìèíà: â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà êîëè÷åñòâî òåìíîé ìàòåðèè ïðåíåáðåæèìî ìàëî.  1980-å ãã. ïðîáëåìîé ëîêàëüíîãî òåìíîãî âåùåñòâà â Ãàëàêòèêå çàíèìàëñÿ îäèí èç âåäóùèõ àìåðèêàíñêèõ àñòðîíîìîâ Äæîí Áàêîë. Îí ðàçðàáîòàë ìîäåëü, êîòîðàÿ âî ìíîãèõ îòíîøåíèÿõ íàïîìèíàåò
290
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
ìîäåëü Øìèäòà. Áàêîë óäåëèë áîëüøîå âíèìàíèå îïðåäåëåíèþ ïëîòíîñòè âåùåñòâà â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà. Ñîãëàñíî åãî äàííûì, ïëîòíîñòü òåìíîé ìàòåðèè ñîïîñòàâèìà ñ ïëîòíîñòüþ îáû÷íîãî âåùåñòâà; èíûìè ñëîâàìè, ïîëíàÿ ïëîòíîñòü ìàòåðèè ïðèìåðíî âäâîå ïðåâîñõîäèò ïëîòíîñòü îáû÷íîãî âåùåñòâà. Êòî æå îêàçàëñÿ ïðàâ: ãîëëàíäöû è àìåðèêàíöû, ñ÷èòàâøèå, ÷òî â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà òåìíîé ìàòåðèè ñòîëüêî æå, ñêîëüêî íàáëþäàåìîé, èëè ýñòîíöû, ïîëàãàâøèå, ÷òî âåñü ãðàâèòàöèîííûé ïîòåíöèàë îáåñïå÷èâàåòñÿ íàáëþäàåìûì âåùåñòâîì è äëÿ òåìíîé ìàòåðèè íå îñòàåòñÿ ìåñòà? Âûÿñíèëîñü, ÷òî ïðàâû áûëè è òå, è äðóãèå: âñå äåëî îêàçàëîñü â òîì, êàêîãî ðàçìåðà ñîëíå÷íóþ îêðåñòíîñòü ìû ðàññìàòðèâàåì. Åñëè îãðàíè÷èòüñÿ ëîêàëüíîé îêðåñòíîñòüþ Ñîëíöà ðàçìåðîì íåñêîëüêî ñîòåí ïàðñåêîâ è ñîäåðæàùåé äîñòàòî÷íî ìíîãî çâåçä äëÿ íàäåæíûõ ñòàòèñòè÷åñêèõ îöåíîê, òî ôàêòè÷åñêè ìû áóäåì èññëåäîâàòü ñàìóþ ïëîòíóþ ÷àñòü ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà — åãî ýêâàòîðèàëüíóþ ïëîñêîñòü, âáëèçè êîòîðîé ñåé÷àñ íàõîäèòñÿ Ñîëíöå. Ðàñïðåäåëåíèå âåùåñòâà â ýòîé îáëàñòè ïîêàçûâàåò òàáë. 7.8. Îáúåìíàÿ ïëîòíîñòü è îáúåìíàÿ ñâåòèìîñòü äàíû â íåé äëÿ ýêâàòîðèàëüíîé ïëîñêîñòè ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà, à ïîâåðõíîñòíàÿ ïëîòíîñòü è ïîâåðõíîñòíàÿ ñâåòèìîñòü — äëÿ ñëîÿ òîëùèíîé ±1,1 êïê îò ýêâàòîðèàëüíîé ïëîñêîñòè (âêëþ÷àþùåãî âåùåñòâî êàê äèñêà, òàê è ãàëî). Ñâåòèìîñòü äàíà â ïîëîñå R. Âèäèìûå çâåçäû — ýòî âñå çâåçäû ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè è ãèãàíòû. Îñòàòêè çâåçä — ýòî áåëûå êàðëèêè è íåéòðîííûå çâåçäû. Ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà âêëþ÷àåò èîíèçîâàííûé, íåéòðàëüíûé è ìîëåêóëÿðíûé ãàç, à òàêæå ïûëü. Êàê âèäèì, ïðîñòðàíñòâåííàÿ (îáúåìíàÿ) ïëîòíîñòü îáû÷íîãî âåùåñòâà âáëèçè ýêâàòîðèàëüíîé ïëîñêîñòè íàñòîëüêî âûñîêà, ÷òî â ïðåäåëàõ òî÷íîñòè èçìåðåíèé äëÿ òåìíîé ìàòåðèè òàì íå îñòàåòñÿ ìåñòà. Òî åñòü íàìåê íà ïðèñóòñòâèå òåìíîé ìàòåðèè çàìåòèòü ìîæíî: ñóììàðíàÿ ïëîòíîñòü âñåõ âèäîâ íàáëþäàåìîãî âåùåñòâà, à òàêæå òðóäíîíàáëþäàåìûõ îñòàòêîâ çâåçäíîé ýâîëþöèè (îñòûâøèå áåëûå êàðëèêè, íåéòðîííûå çâåçäû è ÷åðíûå äûðû) ñîñòàâëÿåò 0,09 MA/ïê3, òîãäà êàê äèíàìè÷åñêàÿ îöåíêà ïîëíîé ïëîòíîñòè âåùåñòâà ïî åãî ãðàâèòàöèîííîìó âëèÿíèþ íà äâèæåíèå çâåçä ðàâíà 0,10 MA/ïê3. Îäíàêî ðàçíèöà ìåæäó íèìè â 0,01 MA/ïê3 íå ïðåâîñõîäèò îøèáêè èçìåðåíèé. Íî ñîâñåì èíóþ êàðòèíó ìû ïîëó÷èì, åñëè ðàññìîòðèì øèðîêóþ îêðåñòíîñòü Ñîëíöà ðàçìåðîì îêîëî 1 êèëîïàðñåêà. Ýòà îáëàñòü îõâàòûâàåò ïîëíóþ òîëùèíó äèñêà Ãàëàêòèêè, ïîýòîìó óäîáíåå ãîâîðèòü íå îá îáúåìíîé ïëîòíîñòè âåùåñòâà, êîòîðàÿ áûñòðî óìåíüøàåòñÿ ñ
291
7.6. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ
Òàáëèöà 7.8 Ñîñòàâ îêðåñòíîñòåé Ñîëíöà (Binney, Tremaine, 2008) Êîìïîíåíò äèñêà Âèäèìûå çâåçäû Îñòàòêè çâåçä Êîðè÷íåâûå êàðëèêè Ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà Âñåãî Äèíàìè÷åñêàÿ îöåíêà
Îáúåìíàÿ ÏîâåðõíîñòÎáúåìíàÿ Ïîâåðõíîñòïëîòíîñòü, íàÿ ïëîòíîñòü, ñâåòèìîñòü, íàÿ ñâåòèMA/ïê3 MA/ïê2 LA/ïê3 ìîñòü, LA/ïê2 0,033 0,006 0,002 0,050 0,09±0,01 0,10±0,01
29 5 2 13 49±6 74±6
0,05 0 0 0 0,05 —
29 0 0 0 29 —
óäàëåíèåì îò ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè, à î ïîâåðõíîñòíîé ïëîòíîñòè äèñêà â ïðîåêöèè íà åãî ïëîñêîñòü. Êàê âèäèì (òàáë. 7.8), ñóììàðíàÿ ïëîòíîñòü íàáëþäàåìîãî âåùåñòâà (49 MA/ïê2) â ïîëòîðà ðàçà ìåíüøå äèíàìè÷åñêîé ïëîòíîñòè (74 MA/ïê2), è ýòî ðàçëè÷èå ñóùåñòâåííî ïðåâûøàåò îøèáêè èçìåðåíèÿ. Òàêèì îáðàçîì, äèñê Ãàëàêòèêè íà ðàññòîÿíèè ñîëíå÷íîé îðáèòû îò åãî öåíòðà â öåëîì íà 1/3 ñîñòîèò èç òåìíîé ìàòåðèè, êîòîðàÿ ðàñïðåäåëåíà â ýòîé îáëàñòè äèñêà çíà÷èòåëüíî îäíîðîäíåå âèäèìîãî âåùåñòâà è ïîýòîìó çàìåòíåå ïðîÿâëÿåò ñåáÿ íà áîëüøîì ðàññòîÿíèè îò ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè. Ïîëó÷åííûå âûøå ðåçóëüòàòû äëÿ ëîêàëüíîé è øèðîêîé îêðåñòíîñòåé Ñîëíöà ñîãëàñóþòñÿ äðóã ñ äðóãîì. Åñëè ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ðàçíîñòü ïîâåðõíîñòíûõ ïëîòíîñòåé (74 – 49 = 25 ± 8 MA/ïê2) ïîëíîñòüþ îáóñëîâëåíà òåìíîé ìàòåðèåé è ÷òî ýòà ìàòåðèÿ îäíîðîäíî ðàñïðåäåëåíà â ãàëàêòè÷åñêîì äèñêå òîëùèíîé 2 êïê, òî åå ïðîñòðàíñòâåííàÿ ïëîòíîñòü ñîñòàâëÿåò 25/2000 = 0,0125 MA/ïê3. Ýòî â òî÷íîñòè ðàâíî ôîðìàëüíîé ðàçíèöå ìåæäó äèíàìè÷åñêîé è íàáëþäàåìîé ìàññàìè â ïëîñêîñòè Ãàëàêòèêè (0,01 MA/ïê3), õîòÿ íå ñëåäóåò çàáûâàòü î íèçêîé ñòàòèñòè÷åñêîé çíà÷èìîñòè ýòîãî ÷èñëà. Èçìåðåíèÿ ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè Ãàëàêòèêè ñåé÷àñ ïðîäîëæàþòñÿ. Ðàçíûå çâåçäíîäèíàìè÷åñêèå øêîëû ïîêà íå ïðèøëè ê ñîãëàñèþ. Íûíåøíèé ãëàâà ýñòîíñêèõ àñòðîíîìîâ ßàí Ýéíàñòî ñ÷èòàåò, ÷òî ïðîáëåìà ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè òåìíîé ìàòåðèè îñòàåòñÿ àêòóàëüíîé ïî ñåé äåíü. Òàêîâî æå ìíåíèå êðóïíåéøèõ ñïåöèàëèñòîâ ïî äèíàìèêå Ãàëàêòèêè (Gilmore et al, 1990; Bertin, 2000). È äëÿ ýòîãî åñòü îñíîâàíèÿ. Âçÿòü õîòÿ áû íåäàâíåå èññëåäîâàíèå ÷èëèéñêèõ àñòðîíîìîâ (Moni Bidin et al, 2012), èçó÷èâøèõ äâèæåíèå 400 çâåçä â øèðîêèõ îêðåñòíîñòÿõ Ñîëíöà íà ðàññòîÿíèÿõ îò 1,5 äî 4 êïê îò ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè. Èõ âûâîä — òåìíîé ìàòåðèè ïðàêòè÷åñêè íåò! Ïîëó÷åí-
292
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
íàÿ èìè ïëîòíîñòü ñêðûòîé ìàññû â íåïîñðåäñòâåííîé îêðåñòíîñòè Ñîëíöà ôîðìàëüíî ñîñòàâèëà (0 ± 1) ìMA/ïê3. (Ïóñòü âàñ íå óäèâëÿåò ýòà íåïðèâû÷íàÿ åäèíèöà èçìåðåíèÿ: ìMA — ýòî «ìèëëè-ìàññà Ñîëíöà», ò. å. 10–3 MA = 2 · 1027 êã.) Äëÿ øèðîêîé ïóáëèêè àâòîðû ýòîãî èññëåäîâàíèÿ âûðàçèëè ñâîé ðåçóëüòàò íàãëÿäíî: ðàíåå ñ÷èòàëîñü, ÷òî â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà ñîäåðæèòñÿ îò 0,4 äî 1,0 êã òåìíîé ìàòåðèè â îáúåìå ïðîñòðàíñòâà ðàçìåðîì ñ Çåìëþ; íîâûå äàííûå ãîâîðÿò, ÷òî â îáúåìå íàøåé ïëàíåòû ñîäåðæèòñÿ (0,00 ± 0,07) êã òåìíîé ìàòåðèè. Åñëè ýòî èññëåäîâàíèå ïîëó÷èò îäîáðåíèå êîëëåã-àñòðîíîìîâ, òî îêàæåòñÿ, ÷òî âîçðîñøàÿ çà íåñêîëüêî ëåò â 10 ðàç òî÷íîñòü èçìåðåíèé (ñ 0,01 äî 0,001 MA/ïê3) âíîâü îáîñòðèëà ïðîáëåìó ñêðûòîé ìàññû â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà. 7.6.3. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ â ãàëî Ãàëàêòèêè Ïåðâûå óêàçàíèÿ íà íàëè÷èå âîêðóã ãàëàêòèê îáøèðíîé è î÷åíü ìàññèâíîé, íî ïðè ýòîì àáñîëþòíî òåìíîé ïåðèôåðè÷åñêîé îáëàñòè áûëî ïîëó÷åíî àñòðîíîìàìè Òàðòóñêîé îáñåðâàòîðèè â 1970-å ãã. Ýñòîíñêèå àñòðîíîìû ñòðîèëè ìàòåìàòè÷åñêèå ìîäåëè ïðîñòðàíñòâåííîãî ðàñïðåäåëåíèÿ è äâèæåíèÿ çâåçä â êðóïíûõ ãàëàêòèêàõ, òàêèõ êàê íàøà èëè Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû. Îêàçàëîñü, ÷òî åñëè îãðàíè÷èòüñÿ òîëüêî çâåçäàìè, òî ñàìîñîãëàñîâàííóþ ìîäåëü ãàëàêòèêè ïîñòðîèòü íå óäàåòñÿ. ßðêîñòü ãàëàêòèêè áûñòðî óìåíüøàåòñÿ îò öåíòðà ê ïåðèôåðèè äèñêà. Åñëè òàê æå áûñòðî óìåíüøàåòñÿ è ïðîñòðàíñòâåííàÿ ïëîòíîñòü âñåõ çâåçä, âêëþ÷àÿ ñëàáîñâåòÿùèåñÿ, à äðóãèõ íîñèòåëåé ìàññû â ãàëàêòèêå íåò, òî âáëèçè êðàÿ äèñêà ñêîðîñòè çâåçä äîëæíû áûñòðî óìåíüøàòüñÿ ñ óäàëåíèåì îò öåíòðà, ïî÷òè òàê æå áûñòðî, êàê â Ñîëíå÷íîé ñèñòåìå óìåíüøàþòñÿ îðáèòàëüíûå ñêîðîñòè ïëàíåò ñ óäàëåíèåì îò Ñîëíöà, â êîòîðîì ñîñðåäîòî÷åíà ïðàêòè÷åñêè âñÿ ìàññà. Ïëàíåòû äâèæóòñÿ ïî ïî÷òè êðóãîâûì îðáèòàì, à çíà÷èò, ñ ïåðâîé êîñìè÷åñêîé ñêîðîñòüþ: V = (GMA/R)1/2. Ïîýòîìó â Ñîëíå÷íîé ñèñòåìå (òàáë. 7.9) ñêîðîñòè ïëàíåò óìåíüøàþòñÿ ïî «çàêîíó Êåïëåðà»: 1 Vµ . Òàêàÿ æå çàâèñèìîñòü îæèäàëàñü è íà êðàþ ãàëàêòè÷åñêèõ R äèñêîâ, íî íàáëþäåíèÿ çà äâèæåíèåì çâåçä è îáëàêîâ ìåæçâåçäíîãî ãàçà ïîêàçàëè, ÷òî îæèäàíèÿ íå îïðàâäûâàþòñÿ — ñêîðîñòü äâèæåíèÿ ñ óäàëåíèåì îò öåíòðà ãàëàêòèêè, êàê ïðàâèëî, íå óìåíüøàåòñÿ (ðèñ. 7.33, à òàêæå 6.8, 6.9 è 6.11). Ñëåäîâàòåëüíî, çà ïðåäåëàìè ñâåòëîãî çâåçäíîãî òåëà ãàëàêòèêè åñòü íåâèäèìàÿ ìàññà, ðàñïðåäåëåííàÿ áîëåå èëè ìåíåå ñôåðè÷åñêè
293
7.6. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ
Òàáëèöà 7.9 Ñðåäíèå ñêîðîñòè îðáèòàëüíîãî äâèæåíèÿ è ñðåäíåå ðàññòîÿíèå ïëàíåò îò Ñîëíöà Ïàðàìåòð Ñêîðîñòü, êì/ñ Ðàññòîÿíèå, à. å.
ÌåðÞïèêóðèé Âåíåðà Çåìëÿ Ìàðñ òåð Ñàòóðí Óðàí 47,9 0,39
35,0 0,72
29,8 1,00
24,1 1,52
13,1 5,2
9,6 9,6
6,8 19,2
Íåïòóí 5,4 30,0
ñèììåòðè÷íî îòíîñèòåëüíî öåíòðà ãàëàêòèêè.  ýòîì ñëó÷àå åå âëèÿíèå íà äâèæåíèå âíóòðåííèõ çâåçä äèñêà íåîùóòèìî ìàëî (òåîðåìà Íüþòîíà îá îòñóòñòâèè ãðàâèòàöèîííîãî óñêîðåíèÿ âíóòðè îäíîðîäíîé ñôåðû), íî äàëåêèå çâåçäû îùóùàþò ïðèòÿæåíèå ýòîé ìàññû â ïîëíîé ìåðå è âûíóæäåíû äâèãàòüñÿ áûñòðî, ÷òîáû öåíòðîáåæíàÿ ñèëà óðàâíîâåøèâàëà ýòî ïðèòÿæåíèå. Ïûòàÿñü ñîãëàñîâàòü íàáëþäåíèÿ è òåîðèþ, ýñòîíñêèå àñòðîíîìû âûíóæäåíû áûëè ââåñòè â ñâîè ìîäåëè òåìíîå ìàññèâíîå ãàëî. ßàí Ýéíàñòî ïðåäëîæèë íàçûâàòü åãî êîðîíîé ãàëàêòèêè, è ýòîò òåðìèí ñåé÷àñ èñïîëüçóåòñÿ êàê ñèíîíèì «òåìíîãî ãàëî».  1973 ã. àìåðèêàíñêèå àñòðîíîìû Äæåððè Îñòðàéêåð è Äæèì Ïèáëç îïóáëèêîâàëè òåîðåòè÷åñêîå èññëåäîâàíèå, â êîòîðîì ïðåäñêàçàëè íàëè÷èå ìàññèâíûõ ãàëî âîêðóã ãàëàêòèê. Èõ àðãóìåíòû îñíîâûâàëèñü íà ñóùåñòâîâàíèè òîíêèõ ãàëàêòè÷åñêèõ äèñêîâ, äâèæåíèå êîòîðûõ áûëî áû íåóñòîé÷èâûì, åñëè áû îíè íå áûëè ïîãðóæåíû âíóòðü ìàññèâíîãî ãàëî, êîòîðîå ñâîèì òÿãîòåíèåì ñòàáèëèçèðóåò äâèæåíèå çâåçä â äèñêå. Ïåðâûå ðåçóëüòàòû òî÷íûõ ðàñ÷åòîâ ýñòîíñêèõ àñòðîíîìîâ, â ïðîâåäåíèè êîòîðûõ ó÷àñòâîâàëè Ýíí Ñààð è Àíòñ Êààçèê, ïîÿâèëèñü 11 ÿíâàðÿ 1974 ã. Îíè îáíàðóæèëè, ÷òî äâîéíûå ãàëàêòèêè äåéñòâèòåëüíî äâèæóòñÿ òàê, êàê îæèäàëîñü áû â ñëó÷àå, åñëè îíè îêðóæåíû òåìíûìè êîðîíàìè. Äàííûå ïî äâîéíûì ãàëàêòèêàì ïîêàçàëè, ÷òî ìàññû è ðàäèóñû êîðîí ïðåâûøàþò ìàññû è ðàäèóñû âèäèìûõ ïîïóëÿöèé ïðèìåðíî â 10 ðàç. Ðåçóëüòàòû ýòîé ðàáîòû áûëè îïóáëèêîâàíû â æóðíàëå Nature è ñ òîãî ìîìåíòà ñ÷èòàþòñÿ êëàññè÷åñêèìè. ×åðåç ïàðó ìåñÿöåâ Îñòðàéêåð, Ïèáëç è ßõèë îïóáëèêîâàëè ñâîè ðåçóëüòàòû, êîòîðûå ïðàêòè÷åñêè ñîâïàëè ñ ýñòîíñêèìè. À åùå ïàðó ìåñÿöåâ ñïóñòÿ ïîÿâèëàñü òðåòüÿ ñòàòüÿ, ãäå êîðèôåé àñòðîôèçèêè Äæåôôðè Áåðáèäæ âûäâèíóë ðÿä ñîìíåíèé îòíîñèòåëüíî ýòèõ ðàáîò. Áåðáèäæ óêàçûâàë íà ñäåëàííîå â íèõ íåÿâíîå ïðåäïîëîæåíèå î òîì, ÷òî â ñëó÷àå äâîéíûõ ãàëàêòèê ìû èìååì äåëî ñ ôèçè÷åñêèìè ïàðàìè, òî åñòü ñ áëèçêèìè îáúåêòàìè, ñâÿçàííûìè ìåæäó ñîáîé ñèëîé âçàèìíîãî ïðèòÿæåíèÿ. Åñëè æå äîïóñòèòü, ÷òî êîìïîíåíòû äâîéíûõ
294
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Êðóãîâàÿ ñêîðîñòü
ãàëàêòèê âñòðåòèëèñü ëèøü ñëó÷àéíî è íå îáðàçóþò óñòîé÷èâûõ ñèñòåì, òî íèêàêèõ âûâîäîâ îá èõ ìàññàõ äåëàòü íåëüçÿ. Ýòî íåñêîëüêî îõëàäèëî ýíòóçèàçì V 1 çàùèòíèêîâ òåìíîãî âåùåñòâà. R Ñòàëî ÿñíî, ÷òî íóæíû íîâûå íåçàâèñèìûå àðãóìåíòû. Âòîðîé ôàêò â ïîëüçó ìàññèâíîãî íåâèäèìîãî ãàëî îáíàÐàññòîÿíèå Ðèñ. 7.33. Ñêîðîñòü îðáèòàëüíîãî äâèæå- ðóæèëñÿ ïðè èññëåäîâàíèè äâèíèÿ çâåçä â äèñêå ãàëàêòèêè ïî÷òè íå ìå- æåíèÿ ìåæçâåçäíîãî ãàçà — àòîíÿåòñÿ ñ óäàëåíèåì îò öåíòðà, òîãäà êàê ìàðíîãî âîäîðîäà, èçëó÷àþùåâ îòñóòñòâèå òåìíîé ìàòåðèè îíà äîëæ- ãî â ðàäèîëèíèè äëèíîé 21 ñì. íà íà ïåðèôåðèè óìåíüøàòüñÿ êàê 1/ R . Àìåðèêàíñêàÿ èññëåäîâàòåëüíèöà Âåðà Ðóáèí è åå ñîòðóäíèêè èñïîëüçîâàëè î÷åíü ÷óâñòâèòåëüíûé äåòåêòîð, êîòîðûé ïîçâîëèë èçìåðÿòü ãàëàêòè÷åñêèå ñïåêòðû â î÷åíü ñëàáûõ ïåðèôåðèéíûõ îáëàñòÿõ ãàëàêòèê. Ðóáèí íà÷àëà èçìåðåíèÿ â 1975 ã. Åé óäàëîñü çàôèêñèðîâàòü ñïåêòðû áîëüøèíñòâà ÿðêèõ ãàëàêòèê è èçìåðèòü ñêîðîñòè âðàùåíèÿ äî ãîðàçäî áóëüøèõ ðàññòîÿíèé îò öåíòðà, ÷åì ðàíüøå. Åå èçìåðåíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî êðèâûå âðàùåíèÿ ïî÷òè âñåõ ãàëàêòèê ÿâëÿþòñÿ ïëîñêèìè, ò. å. ÷òî ëèíåéíàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ âîêðóã öåíòðà ãàëàêòèêè (V) íå ìåíÿåòñÿ ñ ðàññòîÿíèåì îò íåãî (R). À ïîñêîëüêó ýòèìè âåëè÷èíàìè îïðåäåëÿåòñÿ öåíòðîñòðåìèòåëüíîå óñêîðåíèå (V 2/R), ðîëü êîòîðîãî èãðàåò ãðàâèòàöèîííîå óñêîðåíèå (GMR/R 2), òî îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ìàññà ãàëàêòèêè âíóòðè íåêîòîðîãî ðàäèóñà (MR) óâåëè÷èâàåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî ðàäèóñó (MR µ V 2R µ R). Äàæå çà ïðåäåëàìè âèäèìîãî òåëà ãàëàêòèêè ýòà çàâèñèìîñòü ñîõðàíÿåòñÿ. Ðàáîòà Âåðû Ðóáèí íàäåæíî ïîäòâåðäèëà, ÷òî âîêðóã ãàëàêòèê èìåþòñÿ òåìíûå ãaëî. Ïîêà îáùåïðèíÿòîå ïðåäñòàâëåíèå î ãàëî íàøåé Ãàëàêòèêè òàêîâî: ýòî êâàçèñôåðè÷åñêàÿ îáëàñòü, îõâàòûâàþùàÿ ãàëàêòè÷åñêèé äèñê è ïðîñòèðàþùàÿñÿ êàê ìèíèìóì íà 150 êïê îò öåíòðà Ãàëàêòèêè (íàïîìíèì, ÷òî ðàäèóñ äèñêà Ãàëàêòèêè âñåãî îêîëî 20 êïê). Ðàçëè÷àþò çâåçäíîå ãàëî (stellar halo) è òåìíîå ãàëî (dark halo). Çâåçäíîå ãàëî ñîäåðæèò â ñåáå îêîëî 1% çâåçä Ãàëàêòèêè è ïðîñëåæèâàåòñÿ ïðèìåðíî äî 50 êïê îò åå öåíòðà. Íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ çâåçäû ïðàêòè÷åñêè íå íàáëþäàþòñÿ, ïîñêîëüêó èõ ïðîñòðàíñòâåííàÿ ïëîòíîñòü áûñòðî óìåíüøàåòñÿ îò öåíòðà Ãàëàêòèêè ê åå ïåðèôåðèè
7.6. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ
295
Ðèñ. 7.34. Èñòèííàÿ êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè ñóùåñòâåííî îòëè÷àåòñÿ îò òîé, êîòîðàÿ áûëà áû òîëüêî ïðè ó÷åòå ãðàâèòàöèè âèäèìîãî âåùåñòâà.
(rs µ R–3). Òåìíîå ãàëî îáíàðóæèâàåòñÿ òîëüêî äèíàìè÷åñêèìè ìåòîäàìè, ò. å. ñîñòîèò èç òåìíîé ìàòåðèè. Îíî òÿíåòñÿ êàê ìèíèìóì äî 100 êïê îò öåíòðà Ãàëàêòèêè, à âîçìîæíî, è äî 200 êïê è èìååò ìàññó ~1012 MA, òîãäà êàê ìàññà äèñêà Ãàëàêòèêè — îêîëî 1011 MA. Ïî ñðàâíåíèþ ñî çâåçäíûì ãàëî ïëîòíîñòü òåìíîãî ãàëî ñóùåñòâåííî ìåäëåííåå ñïàäàåò ñ óäàëåíèåì îò öåíòðà (rd µ R–2). Ïîýòîìó òåìíàÿ ìàòåðèÿ äîìèíèðóåò íà ïåðèôåðèè Ãàëàêòèêè è ñëàáåå ïðåäñòàâëåíà â åå öåíòðàëüíîé îáëàñòè è äàæå âíóòðè îðáèòû Ñîëíöà. Ïðè ìîäåëèðîâàíèè Ãàëàêòèêè åå òåìíîå ãàëî îáû÷íî ïðåäñòàâëÿþò â âèäå óñå÷åííîé èçîòåðìè÷åñêîé ñôåðû ñ ðàñïðåäåëåíèåì ïëîòíîñòè rd µ (a2 + R 2)–1, ãäå ïîñòîÿííûé ïàðàìåòð a » 3 êïê. Åñëè ïðèíÿòü äëÿ òåìíîãî ãàëî ñëåäóþùèå ïàðàìåòðû: Md = 1012 MA è R = 200 êïê, òî åãî ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü ðàâíà pd = 3 · 10–5 MA/ïê3, à ïëîòíîñòü ó îðáèòû Ñîëíöà (R = 8 êïê) ñîñòàâëÿåò rloc = 0,006 MA/ïê3. Ýòî çíà÷åíèå õîðîøî ñîãëàñóåòñÿ ñ óêàçàííûì âûøå òðàäèöèîííûì îãðàíè÷åíèåì íà ëîêàëüíóþ ïëîòíîñòü òåìíîãî âåùåñòâà â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà (m 0,01 MA/ïê3), íî âñòóïàåò â ïðîòèâîðå÷èå ñ ñàìûìè ïîñëåäíèìè óêàçàííûìè âûøå îöåíêàìè (m 0,001 MA/ïê3). Ìîæåò áûòü,
296
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
210
Ñêîðîñòü âðàùåíèÿ, êì/c
180 Ìîäåëüíàÿ êðèâàÿ âðàùåíèÿ
150 120
Çâåçäíûé äèñê
90 Òåìíîå ãàëî
60 Ãàç
30 Áàëäæ
10
30 20 Ðàññòîÿíèå îò öåíòðà, êïê
40
Ðèñ. 7.35. Íàáëþäàåìàÿ êðèâàÿ âðàùåíèÿ cïèðàëüíîé ãàëàêòèêè NGC 157 è ðåçóëüòàò åå ìîäåëèðîâàíèÿ â âèäå ñóììû íåñêîëüêèõ êîìïîíåíòîâ. Êðóæêè — îïòè÷åñêèå íàáëþäåíèÿ, çâåçäî÷êè — ðàäèîíàáëþäåíèÿ â ëèíèè âîäîðîäà 21 ñì. Îïòè÷åñêèé ðàäèóñ ãàëàêòèêè ìåíåå 15 êïê. Âêëàä òåìíîãî ãàëî ñòàíîâèòñÿ ïðåîáëàäàþùèì òîëüêî íà î÷åíü áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ îò öåíòðà.
íàëè÷èå ìàññèâíîãî äèñêà êàê-òî ìåíÿåò ðàñïðåäåëåíèå ïëîòíîñòè òåìíîãî âåùåñòâà â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà? Ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî ÷àñòèöû òåìíîãî ãàëî, èìåþùèå âûñîêóþ ñêîðîñòü õàîòè÷åñêîãî äâèæåíèÿ (îêîëî 200 êì/ñ), ïî÷òè íå çàìå÷àþò ãðàâèòàöèþ äèñêà, è èõ ëîêàëüíàÿ ïëîòíîñòü èçìåíÿåòñÿ íåçíà÷èòåëüíî. Æåëàíèå àñòðîíîìîâ ðåøèòü ýòó ïðîáëåìó ìîæíî ïîíÿòü: îò òîãî, êàêîâû ïàðàìåòðû òåìíîãî ãàëî Ãàëàêòèêè, çàâèñèò íàøå ïðåäñòàâëåíèå íå òîëüêî î åå ïðîøëîì, íî è î áóäóùåì. Íàïðèìåð, îò ýòîãî çàâèñèò èñõîä âîçìîæíîé âñòðå÷è Ãàëàêòèêè ñ Òóìàííîñòüþ Àíäðîìåäû. Íå ìåíåå ëþáîïûòíà è ñóäüáà Ìàãåëëàíîâûõ Îáëàêîâ, êîòîðûå ñåé÷àñ ì÷àòñÿ âñåãî â 50 êïê îò íàñ. Áóäóò ëè îíè çàõâà÷åíû Ãàëàêòèêîé è ñîëüþòñÿ ñ íåé èëè æå ïðîëåòÿò ìèìî, çàâèñèò îò ìàññû ãàëî. Ãëîáàëüíûé ïîäõîä ê ýòîé ïðîáëåìå çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òîáû «âçâåñèòü» âñþ Ìåñòíóþ ãðóïïó ãàëàêòèê, à çàòåì ðàçäåëèòü íàéäåííóþ ìàññó ïî îòäåëüíûì ãàëàêòèêàì, íàïðèìåð ïðîïîðöèîíàëüíî èõ ñâåòèìîñòè.
7.6. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ
297
Òàêóþ ðàáîòó ïðîäåëàë èçâåñòíûé êàíàäñêèé àñòðîíîì Ñèäíè âàí äåí Áåðã (van den Bergh, 1999). Èçó÷èâ äâèæåíèå ÷ëåíîâ Ìåñòíîé ãðóïïû, îí îïðåäåëèë, ÷òî ðàäèóñ åå ñôåðû íóëåâîé ñêîðîñòè, çà ïðåäåëàìè êîòîðîé ãàëàêòèêè òåðÿþò ñâÿçü ñ ãðóïïîé, ñîñòàâëÿåò (1,18 ± 0,15) Ìïê, à âèðèàëüíàÿ ìàññà (23 ± 6) · 1011 MA. Ðàçóìååòñÿ, îñíîâíàÿ ÷àñòü ýòîé ìàññû ïðèõîäèòñÿ íà äîëþ Òóìàííîñòè Àíäðîìåäû (50%) è Ãàëàêòèêè (37%). Çíà÷èò, ìàññà Ãàëàêòèêè — îêîëî 8,5 · 1011 MA. Ïðàêòè÷åñêè òàêîå æå çíà÷åíèå ìàññû, ïî ìíåíèþ âàí äåí Áåðãà, äàåò èññëåäîâàíèå äâèæåíèÿ äàëåêèõ ñïóòíèêîâ Ãàëàêòèêè. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ñâåòèìîñòü Ãàëàêòèêè ñîñòàâëÿåò îêîëî 2 · 1010 LA. Ïî äàííûì ðàçíûõ àâòîðîâ, äëÿ íàñåëåíèÿ ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà (çâåçäû + ãàç) â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà õàðàêòåðíî îòíîøåíèå ìàññû ê ñâåòèìîñòè â ãîëóáîé ÷àñòè ñïåêòðà M/L » (2–5) MA/LA. Åñëè ïðèíÿòü äëÿ Ãàëàêòèêè â öåëîì çíà÷åíèå M/L = 3,5, òî ìàññà îáû÷íîãî (áàðèîííîãî) âåùåñòâà â íåé îêîëî 7 · 1010 MA, ÷òî â 12 ðàç ìåíüøå åå ïîëíîé ìàññû, âêëþ÷àþùåé òåìíîå ãàëî. Âïðî÷åì, íå âñå àñòðîíîìû ñîãëàñíû ñ ðàñ÷åòàìè âàí äåí Áåðãà. Ïî äàííûì Ä. È. Ìàêàðîâà (ÑÀÎ ÐÀÍ, êàíä. äèñ., 2000 ã.) ðàäèóñ ñôåðû íóëåâîé ñêîðîñòè Ìåñòíîé ãðóïïû ãaëàêòèê ñîñòàâëÿåò (0,96 ± 0,05) Ìïê, à åå âèðèàëüíàÿ ìàññà — (12 ± 2) · 1011 MA. Åñëè îïèðàòüñÿ íà ýòî èññëåäîâàíèå, òî ìàññà íàøåé ãàëàêòèêè — îêîëî 4,4 · 1011 MA, à ìàññà åå òåìíîãî ãàëî âäâîå ìåíüøå, ÷åì ïî îöåíêå âàí äåí Áåðãà. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, â íåäàâíåé ðàáîòå Ïîëà Ìàêìèëëàíà (McMillan, 2011) ïîëíàÿ ìàññà çâåçä â Ãàëàêòèêå ñîñòàâëÿåò (6,4 ± 0,6) · 1010 MA, à åå äèíàìè÷åñêàÿ ìàññà — (12,6 ± 2,4) · 1011 MA; íà ñêðûòóþ ìàññó îñòàåòñÿ 12 · 1011 MA, ÷òî â ïîëòîðà ðàçà áîëüøå, ÷åì ó âàí äåí Áåðãà. Êàê âèäèì, ïîêà òî÷íîñòü «âçâåøèâàíèÿ» òåìíîé ìàòåðèè â Ãàëàêòèêå íåâûñîêà. Ìîæíî ëèøü çàêëþ÷èòü, ÷òî åå ìàññà ~1012 MA, à ýòî ðàç â 20 áîëüøå ìàññû îáû÷íîãî âåùåñòâà. 7.6.4. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ â ñêîïëåíèÿõ ãàëàêòèê Ïðîáëåìà íåäîñòàòêà âèäèìîé ìàññû (èëè èçáûòêà äèíàìè÷åñêîé ìàññû) â ãàëàêòè÷åñêèõ ñèñòåìàõ èìååò ïî÷òè âåêîâóþ èñòîðèþ. Åùå â 1933 ã. àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì øâåéöàðñêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ Ôðèö Öâèêêè îáíàðóæèë, ÷òî ñêîïëåíèå ãàëàêòèê â ñîçâåçäèè Âîëîñû Âåðîíèêè (Coma) òàèò â ñåáå çàãàäêó: ãàëàêòèêè äâèæóòñÿ â íåì çàìåòíî áûñòðåå, ÷åì ýòî ïîçâîëÿåò ïðåäïîëîæèòü èõ ñóììàðíàÿ ìàññà, âû÷èñëåííàÿ íà îñíîâå ñâåòèìîñòè èõ çâåçä.. Öâèêêè âïåðâûå ïðèìåíèë ìåòîä, ñóòü êîòîðîãî ïðîñòà. Åñëè íàáëþäàòü çà äâèæåíèåì äâóõ áëèçêèõ äðóã ê äðóãó ãàëàêòèê âîêðóã èõ
298
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
îáùåãî öåíòðà ìàññû, òî ìîæíî âû÷èñëèòü ñèëó ïðèòÿæåíèÿ ìåæäó íèìè. Åñëè îêàæåòñÿ, ÷òî âñþ ýòó ñèëó îáåñïå÷èâàåò âèäèìîå âåùåñòâî ãàëàêòèê — èõ çâåçäû è ãàç, — çíà÷èò, íåâèäèìîãî âåùåñòâà â íèõ íåò. À åñëè âû÷èñëåííàÿ ñèëà ÿâíî ïðåâîñõîäèò òî, ÷òî ìîæåò äàòü âèäèìîå âåùåñòâî, çíà÷èò, â ãàëàêòèêàõ ìíîãî íåâèäèìîé ìàññû. Äëÿ òàêèõ èçìåðåíèé ïîäõîäÿò íå òîëüêî äâîéíûå ãàëàêòèêè, íî è ãðóïïû ãàëàêòèê, è èõ êðóïíûå ñêîïëåíèÿ. Èçìåðÿÿ ñðåäíþþ ñêîðîñòü âçàèìíîãî äâèæåíèÿ ãàëàêòèê â ñêîïëåíèè, íåòðóäíî âû÷èñëèòü è ñðåäíþþ ñèëó èõ âçàèìíîãî ïðèòÿæåíèÿ: ÷åì áîëüøå ñêîðîñòü äâèæåíèÿ, òåì áîëüøå äîëæíà áûòü è ñèëà, óäåðæèâàþùàÿ ãàëàêòèêè â ñêîïëåíèè (ñì. ðàçäåë 3.8). Èñïîëüçîâàâ ýòîò ìåòîä, Öâèêêè çàêëþ÷èë, ÷òî â ñêîïëåíèè èìååòñÿ åùå êàêàÿ-òî òåìíàÿ ìàòåðèÿ. Ïî äàííûì Öâèêêè, åñëè ðàññìàòðèâàòü ñêîïëåíèå â öåëîì, òî ïîëíàÿ ìàññà òåìíîé ìàòåðèè ïðåâûøàåò ìàññó íàáëþäàåìîãî âåùåñòâà â ãàëàêòèêàõ áîëåå ÷åì íà ïîðÿäîê. Âïåðâûå ýòà ïðîáëåìà øèðîêî îáñóæäàëàñü â 1961 ã. â ÑØÀ íà ñúåçäå Ìåæäóíàðîäíîãî àñòðîíîìè÷åñêîãî ñîþçà. Ñ íîâîé èäååé òàì âûñòóïèë àðìÿíñêèé àñòðîíîì Â. À. Àìáàðöóìÿí. Îí óòâåðæäàë, ÷òî áîëüøàÿ ñêîðîñòü ãàëàêòèê â ñêîïëåíèÿõ óêàçûâàåò íà áûñòðîå ðàñøèðåíèå ñêîïëåíèé è ÷òî ñóùåñòâîâàíèå ñêîïëåíèé â íàñòîÿùèé ìîìåíò áóäòî áû ñâèäåòåëüñòâóåò îá èõ íåäàâíåì âîçíèêíîâåíèè. Îäíàêî áîëüøèíñòâî àñòðîíîìîâ âîçðàæàëè ïðîòèâ ýòîé ãèïîòåçû, óêàçûâàÿ íà ñâèäåòåëüñòâà çíà÷èòåëüíîãî âîçðàñòà ãàëàêòèê â ñêîïëåíèÿõ. Àíàëîãè÷íûé ïàðàäîêñ èìååò ìåñòî äëÿ äâîéíûõ ãàëàêòèê, à òàêæå äëÿ íåáîëüøèõ ãðóïï ãàëàêòèê, ïîäîáíûõ Ìåñòíîé ãðóïïå, êîòîðóþ ìû óæå îáñóäèëè. Ïîëíàÿ ìàññà Ìåñòíîé ãðóïïû îöåíèâàåòñÿ â 2 · 1012 MA, îòêóäà ñëåäóåò îòíîøåíèå M/L » 40 MA/LA, ÷òî íà ïîðÿäîê âûøå, ÷åì â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà. Ñëåäîâàòåëüíî, 90% ìàññû äî ñèõ ïîð óñêîëüçàåò îò èññëåäîâàòåëåé. Äîïîëíèòåëüíûì àðãóìåíòîì â ïîëüçó òåìíîé ìàòåðèè ñòàëî îáíàðóæåíèå ãîðÿ÷åãî (~108 K) ãàçà, çàïîëíÿþùåãî ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê. Óäåðæàòü åãî òàì ìîæåò òîëüêî ãðàâèòàöèÿ òåìíîé ìàòåðèè. Äðóãîé âàæíûé àðãóìåíò — ýôôåêò ãðàâèòàöèîííîãî ëèíçèðîâàíèÿ, èñêàæàþùèé èçîáðàæåíèÿ ãàëàêòèê, ëåæàùèõ çà ñêîïëåíèÿìè. Îí ïîçâîëÿåò îöåíèòü ïîëíóþ ìàññó ñêîïëåíèé, êîòîðàÿ ñîãëàñóåòñÿ ñ ìàññîé, íàéäåííîé äðóãèìè ìåòîäàìè. 7.6.5. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ è êðóïíîìàñøòàáíàÿ ñòðóêòóðà Âñåëåííîé Âñå êîñìîëîãè÷åñêèå ìîäåëè ïðåäñòàâëÿþò Âñåëåííóþ êàê ïðîñòðàíñòâî, îäíîðîäíî çàïîëíåííîå âåùåñòâîì è èçëó÷åíèåì. Äåéñòâèòåëüíî, ðàñïðåäåëåíèå ãàëàêòèê âî Âñåëåííîé âåñüìà îäíîðîäíî, íî òîëü-
7.6. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ
299
Ðèñ. 7.36. Ðàñïðåäåëåíèå ãàëàêòèê â òîíêîì ñëîå Âñåëåííîé äî ðàññòîÿíèÿ 1,25 ìëðä ñâ. ëåò, ïîñòðîåííîå ïî ðåçóëüòàòàì äâóõ îáçîðîâ êðàñíûõ ñìåùåíèé ãàëàêòèê — îáçîðà Ãàðâàðä-Ñìèòñîíîâñêîãî àñòðîôèçè÷åñêîãî öåíòðà (CfA) è Ñëîàíîâñêîãî öèôðîâîãî îáçîðà íåáà (SDSS). Íàøà ãàëàêòèêà íàõîäèòñÿ â âåðøèíå êëèíîâèäíûõ êàðò.
êî åñëè ðàññìàòðèâàòü ãèãàíòñêèå îáúåìû ïðîñòðàíñòâà ðàçìåðîì â ñîòíè ìåãàïàðñåêîâ è êðóïíåå. Íà áîëåå ìåëêèõ ìàñøòàáàõ ðàñïðåäåëåíèå èìååò ÿ÷åèñòûé õàðàêòåð, ãäå ïëîòíûå ó÷àñòêè ÷åðåäóþòñÿ ñ ïóñòîòàìè. Êðóïíîìàñøòàáíàÿ ñòðóêòóðà Âñåëåííîé íàïîìèíàåò ìûëüíóþ ïåíó èëè ï÷åëèíûå ñîòû, òîëüêî îíà áîëåå ðàçìûòàÿ, áåç îïðåäåëåííîãî ÷åòêîãî ðèñóíêà. Äèàìåòðû ÿ÷ååê äîñòèãàþò ïðèìåðíî 100 Ìïê. Ñòåíêè ÿ÷ååê îáðàçîâàíû ñâåðõñêîïëåíèÿìè ãàëàêòèê, à âíóòðè ÿ÷ååê ãàëàêòèê ïî÷òè íåò. Íà ïåðåñå÷åíèè ñòåíîê ïëîòíîñòü âåùåñòâà ïîâûøåíà; ýòè îäíîìåðíûå óïëîòíåíèÿ — íèòè — îáðàçóþò â ïðîñòðàíñòâå ñòðóêòóðó, ïîäîáíóþ ìî÷àëêå èç çàïóòàííîé ìåòàëëè÷åñêîé ïðîâîëîêè. Íà ïåðåñå÷åíèÿõ íèòåé íàáëþäàþòñÿ óçëû — íàèáîëåå êðóïíûå ñâåðõñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê. Äàæå â ìàñøòàáå ìèëëèàðäà ñâåòîâûõ ëåò (ïðèìåðíî 300 Ìïê) ðàñïðåäåëåíèå âåùåñòâà âî Âñåëåííîé íå ñîâñåì îäíîðîäíî: âèäíû
300
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Ðèñ. 7.37. Ðàñïðåäåëåíèå ãàëàêòèê â òîíêîì ñëîå Âñåëåííîé â íàïðàâëåíèÿõ ñåâåðíîãî è þæíîãî ïîëþñîâ Ãàëàêòèêè äî ðàññòîÿíèé 5 ìëðä ñâ. ëåò. Ïîëó÷åíî íà îñíîâå îáçîðà 2dF èëè 2dFGRS (Two-degree-Field Galaxy Redshift Survey, Îáçîð êðàñíûõ ñìåùåíèé ãàëàêòèê â äâóõãðàäóñíûõ ïîëÿõ), ïðîâåäåííîãî â 1997—2002 ãã. íà 3,9-ì òåëåñêîïå Àíãëî-Àâñòðàëèéñêîé îáñåðâàòîðèè.
ñêîïëåíèÿ è ñâåðõñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê, îáúåäèíåííûå â íåñêîëüêî «âåëèêèõ ñòåí» (ðèñ. 7.36).  áîëåå êðóïíîì ìàñøòàáå (ðèñ. 7.37) â öåëîì îùóùàåòñÿ îäíîðîäíîñòü, íî ñîòîâàÿ ñòðóêòóðà âñå åùå ëåãêî ïðîñìàòðèâàåòñÿ. Ïûòàÿñü ïðåäñòàâèòü ñåáå ñòðóêòóðó Âñåëåííîé â ýòèõ ãèãàíòñêèõ ìàñøòàáàõ, âàæíî ïîìíèòü, ÷òî îíà íå ñòàòè÷íà: Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿåòñÿ, åå ÷àñòè óäàëÿþòñÿ äðóã îò äðóãà, ïîýòîìó ðàñøèðÿþòñÿ óïîìÿíóòûå âûøå ÿ÷åéêè, à òàêæå è îòäåëüíûå ñâåðõñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê.  ýòîì — ãëàâíîå îòëè÷èå ñêîïëåíèé îò ñâåðõñêîïëåíèé: ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê íå ðàñøèðÿþòñÿ âìåñòå ñ êðóïíîìàñøòàáíîé ñòðóêòóðîé. Áîëåå òîãî, ìíîãèå ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê åùå íå äîñòèãëè ðàâíîâåñíîãî, ñòàöèîíàðíîãî ñîñòîÿíèÿ, òàêîãî, â êàêîì ïðåáûâàþò, íàïðèìåð, øàðîâûå çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ. Ñàìûå âíåøíèå îáëàñòè íàèáîëåå ïðîòÿæåííûõ è ðûõëûõ ñêîïëåíèé ãàëàêòèê åùå ïðîäîëæàþò ñæèìàòüñÿ, òî åñòü ãàëàêòèêè â íèõ ìåäëåííî äâèæóòñÿ îò êðàåâ ê öåíòðó ñêîïëåíèÿ. Íàáëþäàåìîå ðàñïðåäåëåíèå ãàëàêòèê è èõ ñêîïëåíèé èçó÷åíî óæå äîâîëüíî õîðîøî, äî ðàññòîÿíèé â ìèëëèàðäû ñâåòîâûõ ëåò. Çàäà÷à êîñìîëîãè÷åñêîé òåîðèè — îáúÿñíèòü ýòî ðàñïðåäåëåíèå. Äåëà-
7.6. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ
301
Ðèñ. 7.38. ×èñëåííàÿ ìîäåëü êðóïíîìàñøòàáíîé ñòðóêòóðû Âñåëåííîé â íûíåøíþþ ýïîõó: îáëàñòü ðàçìåðîì 870´800 Ìïê (îêîëî 2,8´2,6 ìëðä ñâ. ëåò) è òîëùèíîé 90 Ìïê (îêîëî 300 ìëí ñâ. ëåò). Ñâåòëûì ïîêàçàíî áàðèîííîå âåùåñòâî (ãàëàêòèêè, ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê, ãîðÿ÷èé ãàç); òåìíàÿ ìàòåðèÿ íå ïîêàçàíà. Àâòîð — James Wadsley (McMaster University, Canada).
åòñÿ ýòî ïðè ïîìîùè òðåõìåðíîãî ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ïðîöåññà ðàñøèðåíèÿ áîëüøîãî îáúåìà Âñåëåííîé.  íà÷àëüíûå óñëîâèÿ çàêëàäûâàþòñÿ ìàëûå ôëóêòóàöèè ïëîòíîñòè, êîòîðûå íå ïðîòèâîðå÷àò íàáëþäàåìîé âûñîêîé îäíîðîäíîñòè ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ. À çàòåì, â ïðîöåññå ðàñøèðåíèÿ è ãðàâèòàöèîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, ýòè íåîäíîðîäíîñòè ïëîòíîñòè âîçðàñòàþò è ïðåâðàùàþòñÿ â íåêóþ ñòðóêòóðó, ïî÷òè çàñòûâøóþ â ðàñøèðÿþùåéñÿ ñåòêå êîîðäèíàò, ïîñêîëüêó ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü ñ ðàñøèðåíèåì óìåíüøàåòñÿ è ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå îñëàáåâàåò. Ïóòåì òàêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ óäà-
302
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
åòñÿ âîñïðîèçâåñòè íàáëþäàåìóþ ÿ÷åèñòóþ ñòðóêòóðó ñâåðõñêîïëåíèé ãàëàêòèê (ðèñ. 7.38), íî òîëüêî â òîì ñëó÷àå, åñëè â ìîäåëü çàêëàäûâàåòñÿ 1/4 áàðèîííîãî âåùåñòâà è 3/4 òåìíîé ìàññû, âçàèìîäåéñòâóþùåé ñ îáû÷íûì âåùåñòâîì (è ñ ñàìîé ñîáîé) òîëüêî ãðàâèòàöèîííî. Ýòîò ðåçóëüòàò ñ÷èòàåòñÿ îäíèì èç âàæíûõ àðãóìåíòîâ â ïîëüçó ñóùåñòâîâàíèÿ òåìíîé ìàòåðèè. 7.6.6. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ è òåîðèÿ ïðîèñõîæäåíèÿ ãàëàêòèê  êîíöå 1970-õ ãã. âñå áîëüøå íàáëþäàòåëüíûõ ôàêòîâ óêàçûâàëî íà ñóùåñòâîâàíèå âî Âñåëåííîé òåìíîé ìàòåðèè, ïðè÷åì â êîëè÷åñòâå, â íåñêîëüêî ðàç ïðåâûøàþùåì ïîëíóþ ìàññó áàðèîííîãî âåùåñòâà. Ýòî òðåáîâàëî òåîðåòè÷åñêîé èíòåðïðåòàöèè: íóæíî áûëî ïîíÿòü ïðèðîäó òåìíîé ìàòåðèè è åå ðîëü â ýâîëþöèè Âñåëåííîé. Òîãäà åùå íå áûëî ÿñíîñòè â òîì, êàê îáðàçóþòñÿ ãàëàêòèêè (ïîëíîé ÿñíîñòè íåò è ñåãîäíÿ). Âî ìíîãîì áëàãîäàðÿ ðàáîòå àêàäåìèêà ß. Á. Çåëüäîâè÷à è åãî êîëëåã ñòàëî ïîíÿòíî, ÷òî ãàëàêòèêè è ñèñòåìû ãàëàêòèê âîçíèêàþò èç íåáîëüøèõ âîçìóùåíèé ïëîòíîñòè, êîòîðûå óñèëèâàþòñÿ ãðàâèòàöèåé.  îáëàñòÿõ, ãäå ïëîòíîñòü ÷óòü âûøå ñðåäíåé, ãðàâèòàöèîííîå ïðèòÿæåíèå ñèëüíåå, ÷åì â ñîñåäíèõ îáëàñòÿõ, ãäå ïëîòíîñòü íèæå. Ïîýòîìó âåùåñòâî èñòåêàåò èç ðàçðåæåííûõ îáëàñòåé è ñòåêàåòñÿ â áîëåå ïëîòíûå îáëàñòè. Îäíàêî ïðîöåññ ýòîò äîâîëüíî ìåäëåííûé. Èç òåîðåòè÷åñêèõ ðàñ÷åòîâ ñëåäîâàëî, ÷òî êî âðåìåíè, êîãäà ïåðâîíà÷àëüíî ãîðÿ÷èé ãàç Âñåëåííîé çàìåòíî îñòûíåò è ñìîæåò íà÷àòüñÿ ãðàâèòàöèîííàÿ êîíöåíòðàöèÿ, îòíîñèòåëüíûå ôëóêòóàöèè ïëîòíîñòè äîëæíû ñòàòü óæå äîñòàòî÷íî áîëüøèìè, ñîñòàâëÿÿ ïðèìåðíî òûñÿ÷íóþ äîëþ ñðåäíåé ïëîòíîñòè. Èçìåðåíèÿ ôîíîâîãî êîñìè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî íà ñàìîì äåëå ôëóêòóàöèè ïëîòíîñòè áûëè â òî âðåìÿ (ïðè êðàñíîì ñìåùåíèè z » 1200) ïðèìåðíî â ñòî ðàç ìåíüøå. Êîãäà ðåçóëüòàòû ýòèõ èçìåðåíèé ôîíîâîãî èçëó÷åíèÿ âïåðâûå ñòàëè èçâåñòíû, Çåëüäîâè÷ óñîìíèëñÿ â èõ äîñòîâåðíîñòè, ïîñêîëüêó, ïî åãî ìíåíèþ, â òàêîì ñëó÷àå ãàëàêòèêè íèêàê íå ñìîãëè áû âîçíèêíóòü. Ïóòü ê ðåøåíèþ ïðåäëîæèë Àðòóð Äàâèäîâè÷ ×åðíèí. Åãî ðàñ÷åòû ïîêàçàëè: åñëè òåìíàÿ ìàòåðèÿ ñîñòîèò íå èç îáû÷íîãî áàðèîííîãî âåùåñòâà, à èç ÷åãî-òî íàïîäîáèå íåéòðèíî, òî òàêîé íåéòðèííûé ãàç îñâîáîæäàåòñÿ îò âëèÿíèÿ ãîðÿ÷åãî èçëó÷åíèÿ íà ãîðàçäî áîëåå ðàííåé ñòàäèè ðàçâèòèÿ Âñåëåííîé, è ðîñò â íåì ôëóêòóàöèé ïëîòíîñòè ìîæåò íà÷àòüñÿ ðàíüøå, ÷åì â îáû÷íîì ãàçå. Îñîáåííîñòü íåéòðèíî ñîñòîèò â òîì, ÷òî îíè î÷åíü ñëàáî âçàèìîäåéñòâóþò äðóã ñ äðóãîì, ñ îáû÷íûì áàðèîííûì âåùåñòâîì è ñ èçëó÷åíèåì. Ê òîìó âðåìåíè, êî-
7.6. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ
303
ãäà îáû÷íîå âåùåñòâî ìîæåò òîëüêî íà÷àòü êîíäåíñèðîâàòüñÿ, íåéòðèííûé ãàç óæå îáðàçóåò ïîëå ïëîòíîñòè ñ äîñòàòî÷íûì êîíòðàñòîì. Ýòà èäåÿ îòâîäèëà äëÿ íåéòðèíî ðîëü òåìíîé ìàòåðèè, êîòîðàÿ â ðàìêàõ òåîðèè ñòàíîâèëàñü íåîáõîäèìà äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ ãàëàêòèê. Ýòè ðåçóëüòàòû âïåðâûå îáñóæäàëèñü â 1981 ã. â Òàëëèíå íà êîíôåðåíöèè «Âîçíèêíîâåíèå ñòðóêòóðû Âñåëåííîé», â êîòîðîé âíîâü ó÷àñòâîâàëè âñå âåäóùèå òåîðåòèêè è íàáëþäàòåëè — êàê ôèçèêè, òàê è àñòðîíîìû. Ýòó êîíôåðåíöèþ ìîæíî ñ÷èòàòü êðàåóãîëüíûì êàìíåì â çàðîæäåíèè íîâîé îáëàñòè íàóêè — àñÐèñ. 7.39. À. Ä. ×åðíèí. òðîôèçèêè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Ôîòî Î. Ñ. Áàðòóíîâà. Îäíàêî èäåÿ ñ íåéòðèíî ñåáÿ íå îïðàâäàëà: èõ ñëèøêîì áûñòðîå äâèæåíèå íå ïîçâîëÿëî îáúÿñíèòü ðîñò íåîäíîðîäíîñòåé ìàëîãî ìàñøòàáà. Ê 1984 ã. âîçíèêëà êîíöåïöèÿ õîëîäíîé òåìíîé ìàòåðèè, ïîçâîëÿþùåé ïðè êîìïüþòåðíîì ìîäåëèðîâàíèè âîñïðîèçâåñòè êðóïíîìàñøòàáíóþ ÿ÷åèñòóþ ñòðóêòóðó â ðàñïðåäåëåíèè ãàëàêòèê — íèòè è ïóñòîòû ìåæäó íèìè. Íî íà ðîëü íîñèòåëÿ ýòîé ìàññû êàíäèäàò íå íàøåëñÿ. 7.6.7. Ïîèñê íåâèäèìîé ìàññû Êàê îïðåäåëèòü ìàññó îòäåëüíûõ íåâèäèìûõ îáúåêòîâ? Ðåøåíèå íàïðàøèâàåòñÿ ñàìî ñîáîé: íóæíî çàìåòèòü äåéñòâèå ãðàâèòàöèîííûõ ïîëåé èíäèâèäóàëüíûõ íîñèòåëåé íåâèäèìîé ìàññû. Áîëüøèå íàäåæäû ïðè ýòîì âîçëàãàþòñÿ íà ýôôåêò «ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû». Ãðàâèòàöèîííàÿ ëèíçà — ýòî ëþáîå ìàññèâíîå òåëî, íàïðèìåð ïëàíåòà èëè çâåçäà, èëè äàæå ñèñòåìà òåë — ãàëàêòèêà, ñêîïëåíèå ãàëàêòèê, — èñêðèâëÿþùàÿ ñâîèì ãðàâèòàöèîííûì ïîëåì íàïðàâëåíèå ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ, ïîäîáíî òîìó, êàê èñêðèâëÿåò ïóòü ñâåòîâîãî ëó÷à ïîëîæèòåëüíàÿ ñòåêëÿííàÿ ëèíçà. Ýôôåêò ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû ïðåäñêàçàë Àëüáåðò Ýéíøòåéí, êîòîðûé â 1915 ã. â ðàìêàõ îáùåé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè âïåðâûå ïðàâèëüíî âû÷èñëèë óãîë îòêëîíåíèÿ ëó÷à ñâåòà â ãðàâèòàöèîííîì ïîëå. Âî âðåìÿ ïîëíîãî ñîëíå÷íîãî çàòìåíèÿ 29 ìàÿ 1919 ã. àíãëèéñêèå àñòðîíîìû èçìåðèëè îò-
304
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
êëîíåíèå ñâåòà çâåçä, ïðîõîäÿùåãî âáëèçè ïîâåðõíîñòè Ñîëíöà: ñìåùåíèå èçîáðàæåíèé çâåçä ñîñòàâèëî 1,75² â ïîëíîì ñîãëàñèè ñ ïðåäñêàçàíèåì Ýéíøòåéíà. Ïåòåðáóðãñêèé ôèçèê Îðåñò Äàíèèëîâè÷ Õâîëüñîí â 1924 ã. è À. Ýéíøòåéí â 1936 ã. òåîðåòè÷åñêè ðàññìîòðåëè ëèíçîïîäîáíîå äåéñòâèå îäíîé çâåçäû íà èçëó÷åíèå äðóãîé; îíè ïîêàçàëè, ÷òî ëó÷ ñâåòà äàëåêîé çâåçäû ìîæåò áûòü îòêëîíåí ïðèòÿæåíèåì äðóãîé çâåçäû-ëèíçû, â ðåçóëüòàòå ÷åãî âîçíèêíåò âòîðîå èçîáðàæåíèå äàëåêîé çâåçäû; â ñëó÷àå, êîãäà îáå çâåçäû è íàáëþäàòåëü íàõîäÿòñÿ íà îäíîé ïðÿìîé, èçîáðàæåíèå áóäåò èìåòü ôîðìó êîëüöà. Íè Õâîëüñîí, íè Ýéíøòåéí íå âåðèëè â âîçìîæíîñòü ýêñïåðèìåíòàëüíîãî îáíàðóæåíèÿ ýôôåêòà ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû â ñëó÷àå ñ îáû÷íûìè çâåçäàìè, ïîñêîëüêó áîëåå áëèçêàÿ ê íàáëþäàòåëþ çâåçäà-ëèíçà ìåøàåò ñâîèì èçëó÷åíèåì ðàçãëÿäåòü ñëàáîå èñêàæåííîå èçîáðàæåíèå áîëåå äàëåêîé çâåçäû. Îäíàêî â 1937 ã. Ôðèö Öâèêêè ïðèøåë ê âûâîäó, ÷òî ýôôåêò ãðàâèòàöèîííîé ôîêóñèðîâêè ñâåòà ìîæíî íàáëþäàòü â òîì ñëó÷àå, åñëè ëèíçîé ÿâëÿåòñÿ ãàëàêòèêà, ïîñêîëüêó åå ãðàâèòàöèîííîå ïîëå î÷åíü âåëèêî, à ñðåäíÿÿ ïîâåðõíîñòíàÿ ÿðêîñòü ìàëà è íå ñèëüíî ìåøàåò íàáëþäåíèþ.  1979 ã. àíãëèéñêèå àñòðîíîìû Ä. Âîëø è äð. âïåðâûå îáíàðóæèëè «äâîéíîé êâàçàð» QSO 0957+16 A, B ñ óãëîâûì ðàññòîÿíèåì ìåæäó êîìïîíåíòàìè A è B îêîëî 6². Êîãäà âûÿñíèëîñü, ÷òî îáà êâàçàðà èçìåíÿþò ñâîé áëåñê ñèíõðîííî, àñòðîíîìû ïîíÿëè, ÷òî â äåéñòâèòåëüíîñòè ýòî äâà èçîáðàæåíèÿ îäíîãî êâàçàðà, îáÿçàííûå ñâîèì ïîÿâëåíèåì ýôôåêòó ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû. Âñêîðå íàøëè è ñàìó ëèíçó — äàëåêóþ ãàëàêòèêó, ëåæàùóþ ìåæäó Çåìëåé è êâàçàðîì. Ê êîíöó ÕÕ â. áûëî îáíàðóæåíî óæå íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ãðàâèòàöèîííûõ ëèíç. Íåêîòîðûå èçîáðàæåíèÿ äåéñòâèòåëüíî èìåþò ôîðìó ðîâíîãî èëè ðàçîðâàííîãî êîëüöà, êîòîðîå íàçûâàþò «êîëüöîì Ýéíøòåéíà» èëè «êîëüöîì Õâîëüñîíà—Ýéíøòåéíà». Ïîçæå áûë îáíàðóæåí ýôôåêò ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû è â ïðåäåëàõ íàøåé Ãàëàêòèêè (òàê íàçûâàåìîå ìèêðîëèíçèðîâàíèå): îäíîêðàòíàÿ ñïîíòàííàÿ ïåðåìåííîñòü áëåñêà íåêîòîðûõ çâåçä óêàçûâàåò íà òî, ÷òî ìåæäó íèìè è Çåìëåé ïðîõîäÿò ìàññèâíûå è äîâîëüíî òåìíûå òåëà, ïðèðîäà êîòîðûõ ïîêà íå ÿñíà.  1990-å ãã. íà÷àëîñü íåñêîëüêî ýêñïåðèìåíòîâ ïî ïîèñêó íîñèòåëåé íåâèäèìîé ìàññû ñ èñïîëüçîâàíèåì ýôôåêòà ãðàâèòàöèîííîãî ìèêðîëèíçèðîâàíèÿ: ïîëüñêî-àìåðèêàíñêèé ýêñïåðèìåíò OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), àìåðèêàíî-àâñòðàëèéñêèé MACHO (Massive Compact Halo Objects) è ôðàíöóçñêèé EROS (Expe-
7.7. Ìåòàìîðôîç ãàëàêòèê
305
rience de Recherche d’Objets Sombres).  êàæäîì èç íèõ ïðàêòè÷åñêè íåïðåðûâíî èçìåðÿåòñÿ ÿðêîñòü òûñÿ÷ çâåçä â íàäåæäå, ÷òî ïðîõîäÿùèé ìåæäó Çåìëåé è íàáëþäàåìîé çâåçäîé íåâèäèìûé îáúåêò ñâîèì ãðàâèòàöèîííûì ïîëåì èñêàçèò åå èçîáðàæåíèå è èçìåíèò åãî ÿðêîñòü. Óæå çàôèêñèðîâàíî íåñêîëüêî ñîòåí ïîäîçðèòåëüíûõ ñëó÷àåâ, íî ñ âûâîäàìè àñòðîíîìû ïîêà íå ñïåøàò: íóæíî íàêîïèòü áîëüøîé ìàòåðèàë, ÷òîáû âûâîäû ñòàëè ñòàòèñòè÷åñêè íàäåæíûìè.  îòíîøåíèè ïðèðîäû òåìíîé ìàòåðèè áîëüøèíñòâî ñïåöèàëèñòîâ ñêëîíÿåòñÿ ê îäíîìó èç äâóõ âàðèàíòîâ: 1) ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû íåèçâåñòíîãî òèïà, óñëîâíî íàçûâàåìûå WIMP (weakly interacting massive particles). Èìååòñÿ â âèäó îòñóòñòâèå ó íèõ ñèëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, à òàêæå ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà, òî åñòü ýòî íå áàðèîííîå âåùåñòâî; 2) ìàêðîñêîïè÷åñêèå íåñâåòÿùèåñÿ îáúåêòû òèïà íåéòðîííûõ çâåçä, ÷åðíûõ äûð, ñâîáîäíûõ ïëàíåò è ò. ï. Äëÿ èõ îáîçíà÷åíèÿ èñïîëüçóåòñÿ àááðåâèàòóðà MACHO. Àíàëèç ýêñïåðèìåíòîâ ïî ãðàâèòàöèîííîìó ìèêðîëèíçèðîâàíèþ óæå ïîêàçàë, ÷òî òàêîãî ðîäà îáúåêòû â èíòåðâàëå ìàññ îò 10–7 äî 30 ÌA íå ìîãóò áûòü äîìèíèðóþùèì êîìïîíåíòîì òåìíîãî ãàëî. Ó÷èòûâàÿ ýòî, âñå áîëüøå íàó÷íûõ êîëëåêòèâîâ ðàçâîðà÷èâàþò ïîèñê WIMPîâ â çåìíûõ óñëîâèÿõ (Êëàïäîð-Êëàéíãðîòõàóñ è Öþáåð, 2000). Åñòü íàäåæäà, ÷òî íîñèòåëè ñêðûòîé ìàññû Ãàëàêòèêè áóäóò âûÿâëåíû èìåííî â ýòèõ ýêñïåðèìåíòàõ. Ïî÷åìó àñòðîíîìû îêàçûâàþò òàêîå áîëüøîå âíèìàíèå ïðîáëåìå íåâèäèìîé ìàññû? Âî-ïåðâûõ, ïîòîìó, ÷òî âîññòàíîâèòü èñòîðèþ Âñåëåííîé íåâîçìîæíî áåç òî÷íîãî çíàíèÿ îá åå ýëåìåíòàðíîì ñîñòàâå. Âî-âòîðûõ, ïîòîìó, ÷òî îò êîëè÷åñòâà òåìíîé ìàòåðèè è îò åå ñâîéñòâ çàâèñèò áóäóùåå Âñåëåííîé. Íî ãëàâíîå, çàãàäêà ïðèðîäû íåâèäèìîãî âåùåñòâà — ýòî âûçîâ äëÿ ñîâðåìåííîé íàóêè!
7.7. Ìåòàìîðôîç ãàëàêòèê Êàê ìû óáåäèëèñü, ãàëàêòèêè ïî ñâîèì ñâîéñòâàì ÷ðåçâû÷àéíî ðàçíîîáðàçíû. Ñîâðåìåííûé âíåøíèé âèä, ðàçìåð, ìàññà è âíóòðåííÿÿ äèíàìèêà òîé èëè èíîé ãàëàêòèêè çàâèñÿò îò òîãî, êàê îíà ñôîðìèðîâàëàñü è íàñêîëüêî èçìåíèëàñü â õîäå ýâîëþöèè. Óçíàòü èñòîðèþ ãàëàêòèê ïîìîãàåò èçó÷åíèå èõ çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ.  êàæäîé ãàëàêòèêå ìîãóò ïðèñóòñòâîâàòü çâåçäû ñ ðàçëè÷íûìè õàðàêòåðèñòèêàìè: ìîëîäûå, âîçðàñòîì ìåíåå 100 ìëí ëåò, è ñòàðûå, âîçðàñòîì â ìèëëèàðäû ëåò; ñðåäè ìîëîäûõ ìîãóò áûòü ìàññèâíûå è ìàëîìàññèâíûå. Íî ñîîòíîøåíèå ìîëîäûõ è ñòàðûõ çâåçä ó êàæ-
306
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
äîé ãàëàêòèêè ñâîå, ñëîæèâøååñÿ â ðåçóëüòàòå åå èíäèâèäóàëüíîé ýâîëþöèè.  áîëüøèíñòâå ýëëèïòè÷åñêèõ ñèñòåì ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóþò ìîëîäûå çâåçäû; ýòè ãàëàêòèêè â îñíîâíîì ñîñòîÿò èç çâåçä, ðîäèâøèõñÿ áîëåå 10 ìëðä ëåò íàçàä. Ñàìûå ÿðêèå çâåçäû â íèõ — êðàñíûå ãèãàíòû.  ñïèðàëüíûõ è íåïðàâèëüíûõ ñèñòåìàõ êðîìå ñòàðûõ çâåçä åñòü è ìîëîäûå; ñàìûå ÿðêèå èç íèõ — ãîëóáûå ñâåðõãèãàíòû âîçðàñòîì ëèøü íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ìèëëèîíîâ ëåò. Íàèáîëüøåå îòíîñèòåëüíîå êîëè÷åñòâî ìîëîäûõ çâåçä íàáëþäàåòñÿ â íåêîòîðûõ ðåäêî âñòðå÷àþùèõñÿ ãàëàêòèêàõ ñî âñïûøêîé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Êàê ïðàâèëî, îíè îòíîñÿòñÿ ê íåïðàâèëüíûì èëè ãîëóáûì êàðëèêîâûì ãàëàêòèêàì. Äëÿ íèõ õàðàêòåðíî íå òîëüêî ïîâûøåííîå ñîäåðæàíèå ìîëîäûõ ìàññèâíûõ çâåçä, íî è ïîíèæåííîå (ïî îòíîøåíèþ ê ñîëíå÷íîìó) ñîäåðæàíèå òÿæåëûõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, à çíà÷èò, âñïûøêè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â òàêèõ ãàëàêòèêàõ ðåäêè è êðàòêîâðåìåííû. Ïðèìåð òàêîé ñèñòåìû åñòü â Ìåñòíîé ãðóïïå — ýòî ãàëàêòèêà Leo A (îíà æå Leo III), êîòîðóþ Ôðèö Öâèêêè îòêðûë â 1942 ã. â ñîçâåçäèè Ëåâ. Ýòî ìàëåíüêàÿ, ðàçìåðîì îêîëî 1 êïê, èçîëèðîâàííàÿ íåïðàâèëüíàÿ ãàëàêòèêà, óäàëåííàÿ îò íàñ íà 690 êïê. Åå çâåçäíîå íàñåëåíèå ðàçíîîáðàçíî — îò ñàìûõ äðåâíèõ çâåçä âîçðàñòîì íå ìåíåå 10 ìëðä ëåò äî î÷åíü ìîëîäûõ è ìàññèâíûõ ñïåêòðàëüíîãî êëàññà Î. Íàëè÷èå òàêèõ çâåçä è ñîçäàííûõ èìè â ìåæçâåçäíîì ãàçå îáëàñòåé HII ãîâîðèò î íåäàâíåé âñïûøêå çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Íî â íàñòîÿùåå âðåìÿ òåìï ðîæäåíèÿ çâåçä â ýòîé ãàëàêòèêå íåâûñîê, è â öåëîì â åå èñòîðèè îí, ïî-âèäèìîìó, áûë íåâûñîêèì, î ÷åì ñâèäåòåëüñòâóåò íèçêàÿ ìåòàëëè÷íîñòü åå çâåçä è ãàçà (1–2% ñîëíå÷íîé). Äèíàìè÷åñêàÿ ìàññà ãàëàêòèêè Leo A îöåíèâàåòñÿ â 8 · 107 MA, íî íå ìåíåå 80% ýòîé ìàññû çàêëþ÷åíî â òåìíîé ìàòåðèè. Ëþáîïûòíîå ñîâïàäåíèå: ó íàøåé ãàëàêòèêè ñîîòíîøåíèå áàðèîííîé è òåìíîé ìàññû ïðèáëèçèòåëüíî òàêîå æå. Âîçìîæíî, Leo A — îäèí èç íåìíîãèõ õîðîøî ñîõðàíèâøèõñÿ «ñòðîèòåëüíûõ áëîêîâ», áîëüøèíñòâî èç êîòîðûõ âîøëî â ñîñòàâ Ãàëàêòèêè è Òóìàííîñòè Àíäðîìåäû. ×òî æå âàæíîå âûÿñíèëîñü ïðè èçó÷åíèè èñòîðèè ãàëàêòèê è êàêîâ èõ âîçðàñò? Åñëè ëþäè ñòàðåþò â áîëåå èëè ìåíåå îäèíàêîâîì òåìïå, õîòÿ èíäèâèäóàëüíûå îñîáåííîñòè, êîíå÷íî, ñóùåñòâóþò, òî ñ ãàëàêòèêàìè âñå çíà÷èòåëüíî ñëîæíåå. Ñàìî ïîíÿòèå âîçðàñòà ãàëàêòèê îïðåäåëåíî íå÷åòêî, ïîñêîëüêó ïðîöåññ èõ ôîðìèðîâàíèÿ çàíèìàë ìèëëèàðäû ëåò, è íåïîíÿòíî, îòêóäà íà÷èíàòü îò÷åò.  áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ñàìûå ñòàðûå çâåçäû ó ãàëàêòèê âñåõ òèïîâ èìåþò áîëåå 10 ìëðä ëåò.
7.7. Ìåòàìîðôîç ãàëàêòèê
307
Ðèñ. 7.40. Êàðëèêîâàÿ íåïðàâèëüíàÿ ãàëàêòèêà Leo A. Ôîòî ïîëó÷åíî â 2004 ã. 8,2-ìåòðîâûì ÿïîíñêèì òåëåñêîïîì «Subaru», ðàáîòàþùèì íà îáñåðâàòîðèè Ìàóíà-Êåà (î. Ãàâàéè). Ñâåòëûå ëèíèè, ïåðåñåêàþùèå ÿðêèå çâåçäû, îáðàçîâàëèñü èç-çà ðàñòåêàíèÿ çàðÿäà â ÏÇÑ-ìàòðèöå.
Ìàññîâîå ôîðìèðîâàíèå ãàëàêòèê êàê çâåçäíûõ ñèñòåì íà÷àëîñü 12–13 ìëðä ëåò íàçàä.  íàøè äíè ïî÷òè âñå ãàëàêòèêè — ñòàðûå çâåçäíûå ñèñòåìû. Ëèøü î÷åíü ðåäêî âñòðå÷àþùèåñÿ êàðëèêîâûå ãàëàêòèêè, âîçìîæíî, ðîæäàþòñÿ ïðÿìî ñåé÷àñ, èñïûòûâàÿ ïåðâóþ â ñâîåé èñòîðèè âñïûøêó çâåçäîîáðàçîâàíèÿ.  íèõ ñîäåðæèòñÿ ìíîãî ìåæçâåçäíîãî ãàçà è ìîëîäûõ çâåçä è íåçàìåòíî ïðèñóòñòâèÿ ñòàðûõ çâåçä — êðàñíûõ ãèãàíòîâ. Ñîäåðæàíèå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ ó íèõ êðàéíå íèçêîå. Òàêèå ãàëàêòèêè — îáúåêòû ïðèñòàëüíîãî èññëåäîâàíèÿ. Ñîâðåìåííûå òåîðèè îáðàçîâàíèÿ ãàëàêòèê ãîâîðÿò î òîì, ÷òî èñõîäíûìè ìàòåðèàëàìè äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ êðóïíûõ çâåçäíûõ ñèñòåì ñëóæèëè íåîäíîðîäíî ðàñïðåäåëåííàÿ â ïðîñòðàíñòâå òåìíàÿ ìàòåðèÿ è îáû÷íûé ãàç (âîäîðîäíî-ãåëèâàÿ ïëàçìà), ñæàòèå è îñòûâàíèå êîòîðîãî â ãðàâèòàöèîííîì ïîëå òåìíîé ìàòåðèè ïðèâåëè ê áóðíîìó ðîæäåíèþ çâåçä è ôîðìèðîâàíèþ ãàëàêòè÷åñêèõ ñòðóêòóð. Ìàññà çâåçäíûõ îñòðîâîâ, ðîæäàþùèõñÿ â áóðíûõ ïîòîêàõ ãàçà, ìîãëà ðàñòè êàê çà ñ÷åò ñòðóé ìåæãàëàêòè÷åñêîãî ãàçà è òåìíîé ìàòåðèè, âëèâàþùèõñÿ â ãàëàêòèêó, òàê è áëàãîäàðÿ ñëèÿíèþ è ïîãëîùåíèþ áîëåå ìåëêèõ ñèñòåì.  ýòîé êàðòèíå åùå ìíîãî íåÿñíîãî, íî íàáëþäåíèÿ äàþò âîçìîæíîñòü ïðîâåðèòü è óòî÷íèòü ñöåíàðèè ôîðìèðîâàíèÿ ãàëàêòèê ðàçíîãî òèïà. Ýòî âîçìîæíî áëàãîäàðÿ òîìó, ÷òî ìû íåïîñðåäñòâåííî íàáëþäàåì ìîëîäûå ãàëàêòèêè â òåõ äàëåêèõ îáëàñòÿõ Âñåëåííîé, ñâåò îò êîòîðûõ øåë äî íàñ ìèëëèàðäû ëåò. Ïðàâäà, òàêèå èññëåäîâàíèÿ òðóäîåìêè è äîñòóïíû òîëüêî ñàìûì êðóïíûì òåëåñêîïàì íà Çåìëå èëè îðáèòàëüíûì îáñåðâàòîðèÿì. Íå âûçûâàåò ñîìíåíèÿ, ÷òî íàèáîëåå áûñòðûé ðîñò ãàëàêòèê ïðîèñõîäèë ïåðâûå 1–2 ìëðä ëåò.  íàøåé ãàëàêòèêå îò òåõ äàëåêèõ âðåìåí îñòàëèñü äîæèâøèå äî íûíåøíåé ýïîõè øàðîâûå ñêîïëåíèÿ è íàèáîëåå ñòàðûå çâåçäû, îáðàçóþùèå òîëñòûé äèñê. Àêòèâíîñòü ãàëàêòè÷åñêèõ ÿäåð â äàëåêîì ïðîøëîì òàêæå áûëà çíà÷èòåëüíî âûøå, ÷åì â íàøè äíè.  öåëîì ðîëü àêòèâíûõ ÿäåð â ýâîëþöèè ãàëàêòèê äî
308
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
ñèõ ïîð äåòàëüíî íå èññëåäîâàíà, íî óæå ÿñíî, ÷òî â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ îíà ìîæåò áûòü î÷åíü áîëüøîé: ÿäðî íà ñòàäèè êâàçàðà ñïîñîáíî, âîçäåéñòâóÿ íà ìåæçâåçäíûé ãàç, ïîâëèÿòü íà ñâîéñòâî ãàëàêòèêè â öåëîì. Ïðîøëè ìèëëèàðäû ëåò. Ïîñëåäîâàâøàÿ çà áóðíûì ðîñòîì ãàëàêòèê ñðàâíèòåëüíî ñïîêîéíàÿ èõ ýâîëþöèÿ îòðàçèëàñü â ðàçíîé ñòåïåíè íà ãàëàêòèêàõ ðàçëè÷íûõ ìàññ è òèïîâ, èçîëèðîâàííûõ è âõîäÿùèõ â ñêîïëåíèÿ. Ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè áûñòðî ïîòåðÿëè çàïàñ ìåæçâåçäíîãî ãàçà, ôîðìèðîâàíèå çâåçä â íèõ îñòàíîâèëîñü, è â áîëüøèíñòâå ñâîåì ýòè ñèñòåìû ìåäëåííî ñòàðåëè è ñòàðåþò ñåé÷àñ, íå ïðåòåðïåâàÿ ñóùåñòâåííûõ èçìåíåíèé. ×óòü ïîçäíåå ïðåêðàòèëîñü çâåçäîîáðàçîâàíèå â òåõ ãàëàêòèêàõ, êîòîðûå ìû íàáëþäàåì êàê ëèíçîâèäíûå. Äðóãîå äåëî — ñïèðàëüíûå è íåïðàâèëüíûå ãàëàêòèêè: èõ ôîðìèðîâàíèå ðàñòÿíóëîñü íà ìèëëèàðäû ëåò è íå çàâåðøèëîñü ïîëíîñòüþ äàæå ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè. Ýòî ìîæåò áûòü ñâÿçàíî êàê ñ áîëåå ýêîíîìíûì ðàñõîäîâàíèåì ãàçà íà çâåçäîîáðàçîâàíèå, òàê è ñ ïîñòîÿííûì ïðèòîêîì â íèõ íîâûõ ïîðöèé ãàçà èç ìåæãàëàêòè÷åñêîãî ïðîñòðàíñòâà.  íàøó ýïîõó êàòàñòðîôè÷åñêèå ñîáûòèÿ â æèçíè ãàëàêòèê — âñïûøêà àêòèâíîãî ÿäðà, ñëèÿíèå ñ äðóãîé ãàëàêòèêîé, ìîùíûé âñïëåñê çâåçäîîáðàçîâàíèÿ — ñîáûòèÿ ðåäêèå, è ïîýòîìó ãàëàêòèêè ìåíÿþòñÿ î÷åíü ìåäëåííî. Æèçíè ÷åëîâåêà íåäîñòàòî÷íî, ÷òîáû çàìåòèòü â íèõ êàêèå-ëèáî ñóùåñòâåííûå èçìåíåíèÿ. Òå ðåãóëÿðíûå ñîáûòèÿ, êîòîðûå ìû ñìîãëè ïîêà çàìåòèòü, — âñïûøêè ñâåðõíîâûõ çâåçä è áóðíûå ïðîöåññû â àêòèâíûõ ÿäðàõ ãàëàêòèê — ÿâëÿþòñÿ ëèøü ïðîÿâëåíèåì ñòàöèîíàðíîé ýâîëþöèè ãàëàêòèê. Îäíàêî â ðàñïîðÿæåíèè ãàëàêòèê, ñ íàøåé òî÷êè çðåíèÿ, öåëàÿ âå÷íîñòü, òàê ÷òî îíè íå ñìîãóò èçáåæàòü çíà÷èòåëüíûõ ïåðåìåí õîòÿ áû ïîòîìó, ÷òî çâåçäû, èç êîòîðûõ îíè ñîñòîÿò, èìåþò áîëüøîé, íî îãðàíè÷åííûé ñðîê æèçíè, à äëÿ ðîæäåíèÿ íîâûõ çâåçä íóæíî «ñûðüå» — ìåæçâåçäíûé ãàç, çàïàñû êîòîðîãî íå áåñêîíå÷íû. ×òî ïðîèçîéäåò ñ ãàëàêòèêàìè ÷åðåç ìèëëèàðäû ëåò? Çà 2–3 ìëðä ëåò — íè÷åãî ñóùåñòâåííîãî. Ðàçâå ÷òî óâåëè÷èòñÿ ÷èñëî ãàëàêòèê, ãäå ïðàêòè÷åñêè ïðåêðàòèëîñü ôîðìèðîâàíèå çâåçä, äà åùå ãàëàêòèêè â ãðóïïàõ è ñêîïëåíèÿõ çàìåòíî ïåðåìåñòÿòñÿ âíóòðè ñâîèõ ñèñòåì. Íåêîòîðûå ãàëàêòèêè, ñâÿçàííûå óçàìè òÿãîòåíèÿ, çà ýòî âðåìÿ óñïåþò ñëèòüñÿ äðóã ñ äðóãîì. Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû ïðèáëèçèòñÿ ê íàøåé ãàëàêòèêå, à ÷åðåç 4–6 ìëðä ëåò íåèçáåæíî ñîëüåòñÿ ñ íåé, îáðàçîâàâ îäíó ãèãàíòñêóþ ñèñòåìó, ïîõîæóþ íà ñîâðåìåííûå ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè, íî ñ íåáîëüøèì êîëè÷åñòâîì õîëîäíîãî
7.7. Ìåòàìîðôîç ãàëàêòèê
309
ãàça. Âïðî÷åì, íèêàêîé êàòàñòðîôîé òàêîå ñòîëêíîâåíèå ãàëàêòèê íå óãðîæàåò: çâåçäû ïðè ýòîì ñòàëêèâàòüñÿ äðóã ñ äðóãîì íå áóäóò, à ïðîñòî èçìåíÿò ñâîè îðáèòû. Íó à åùå äàëüøå â áóäóùåå, ÷åðåç ìíîãèå ìèëëèàðäû ëåò, â ãàëàêòèêàõ ïîñòåïåííî èñ÷åçíóò ñïèðàëüíûå âåòâè è îáëàñòè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Çâåçäû áóäóò ñòàðåòü, à èõ ñâåò — ìåäëåííî çàòóõàòü, òàê ÷òî ïîñòåïåííî ãàëàêòèêè áóäóò ïîãðóæàòüñÿ âî òüìó. Ïðîãíîçèðîâàòü ñóäüáó ìèðà ãàëàêòèê äàëüøå, íà áåñêîíå÷íî äàëåêîå áóäóùåå, áåññìûñëåííî. Ýòîãî íèêòî íå çíàåò. Ó ïðèðîäû åùå ìíîãî ñåêðåòîâ.
Ëèòåðàòóðà Âèòðè÷åíêî Ý. À. Òðàïåöèÿ Îðèîíà. Ì.: Íàóêà, 2004. Âîðîíöîâ-Âåëüÿìèíîâ Á. À. Âíåãàëàêòè÷åñêàÿ àñòðîíîìèÿ. Ì.: Íàóêà, 1978. Ãîðáàöêèé Â. Ã. Ââåäåíèå â ôèçèêó ãàëàêòèê è ñêîïëåíèé ãàëàêòèê. Ì.: Íàóêà, 1986. Åôðåìîâ Þ. Í. Î÷àãè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ãàëàêòèêàõ. Çâåçäíûå êîìïëåêñû è ñïèðàëüíûå ðóêàâà. Ì.: Íàóêà, 1989. Çàñîâ À. Â., Ïîñòíîâ Ê. À. Îáùàÿ àñòðîôèçèêà. Ôðÿçèíî: Âåê 2, 2011. Êëàïäîð-Êëàéíãðîòõàóñ Ã. Â., Öþáåð Ê. Àñòðîôèçèêà ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Ì.: Ðåäàêöèÿ æóðíàëà «Óñïåõè ôèçè÷åñêèõ íàóê», 2000. Êðóïíîìàñøòàáíîå äâèæåíèå ãàëàêòèê: http://en.wikipedia.org/wiki/Dark_flow. Ëîçèíñêàÿ Ò. À. Âçðûâû çâåçä è çâåçäíûé âåòåð â ãàëàêòèêàõ. Ì.: ÊÐÀÑÀÍÄ, 2012. Ñóðäèí Â. Ã. Ãèãàíòñêèå ìîëåêóëÿðíûå îáëàêà // Ì.: Çíàíèå, 1990. Ñóðäèí Â. Ã. Ñêîëüêî øàðîâûõ ñêîïëåíèé â Ãàëàêòèêå? // Ïèñüìà â Àñòðîí. æóðí. 1994. Ò. 20. ¹ 6. Ñ. 467–472. Ñóðäèí Â. Ã. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ êàê èñòî÷íèê çâåçä ïîëÿ ãàëàêòè÷åñêîãî ãàëî // Ïèñüìà â Àñòðîí. æóðí. 1995. Ò. 21. ¹ 8. Ñ. 574–579. Ñóðäèí Â. Ã. Èåðàðõè÷åñêèå çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ ìàêñèìàëüíîé íàñåëåííîñòè // Âåñòíèê ÌÃÓ. Ñåð. ôèçèêà, àñòðîíîìèÿ. 1997. Ò. 52. ¹ 1. Ñ. 63–66. Ñóðäèí Â. Ã. Ðîæäåíèå çâåçä. Ì.: ÓÐÑÑ, 2001. Òåéëåð Ð. Äæ. Ãàëàêòèêè: ñòðîåíèå è ýâîëþöèÿ. Ì.: Ìèð, 1981. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ: àëüòåðíàòèâíûå òåîðèè ãðàâèòàöèè. http://en.wikipedia.org/wiki/Dark_fluid. Ýéíàñòî ß. Ý. Èñòîðèÿ òåìíîé ìàòåðèè. Òàðòó, 2007. Van den Bergh S. The Local group of galaxies // Astron. Astrophys. Rev. 1999. Vol. 9. P. 273–318. Bertin G. Dynamics of galaxies. Cambridge: Cambridge University Press, 2000. Binney J., Merrifield M. Galactic astronomy. Princeton: Princeton University Press, 1998.
310
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå
Binney J., Tremaine S. Galactic dynamics. 2nd edition. Princeton: Princeton University Press, 2008. Galaxy Zoo — âîëîíòåðñêèé ïðîåêò ìîðôîëîãè÷åñêîé êëàññèôèêàöèè ãàëàêòèê. http://www.galaxyzoo.org. Gilmore G. F., King I. R., van der Kruit P. C. The Milky Way as a galaxy. University Science Books, 1990. Glushkova E. V. Discovery and investigation of open star clusters in the Milky Way // Baltic Astronomy. 2012. Vol. 17. P. 277–282. Hodge P. W. The Physics and Astronomy of Galaxies and Cosmology. New York: McGraw-Hill Book Co., 1966. Kormendy J., Bender R. A Proposed Revision of the Hubble Sequence for Elliptical Galaxies // Astrophys. J. Letters. 1996. Vol. 464. P. L119–L122. McMillan P. J. Mass models of the Milky Way // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2011. Vol. 414. P. 2446–2457. Moni Bidin C., Carraro G., Méndez R. A., Smith, R. Kinematical and chemical vertical structure of the Galactic thick disk. II. A lack of dark matter in the solar neighborhood // Astrophys. J. 2012. Vol. 751, Issue 1. Moskal E. V., Surdin V. G. Dynamical models of stellar associations // Astron. and Astrophys. Transactions, 1998. Vol. 15. P. 37–43. SAI Open Clusters Catalog. 2012. http://ocl.sai.msu.ru. Sandage A. Classification and stellar content of galaxies obtained from direct photography // Galaxies and the Universe. Eds A. Sandage, M. Sandage, J. Kristian, 1975. http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sandage/frames.html De Vaucouleurs G. Classification and Morphology of External Galaxies // Hand buch der Physik, 1959. Vol. 53. P. 275–310. http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Dev/ frames.html.
8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
Ãëàâà
ÝÂÎËÞÖÈß ÃÀËÀÊÒÈÊ Î. Ê. Ñèëü÷åíêî
8.1. Äâà ïîäõîäà ê èçó÷åíèþ ýâîëþöèè ãàëàêòèê Äåòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ çâåçäíîãî ñîñòàâà áëèæíèõ ãàëàêòèê ñâèäåòåëüñòâóþò, ÷òî âî âñåõ â íèõ åñòü ñòàðûå çâåçäû âîçðàñòîì íå ìåíåå íåñêîëüêèõ ìèëëèàðäîâ ëåò. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ãàëàêòèêè âîêðóã íàñ ïðîøëè äîëãèé æèçíåííûé ïóòü ñ òåõ ïîð, êàê ìèëëèàðäû ëåò íàçàä ñôîðìèðîâàëàñü èõ íà÷àëüíàÿ ñòðóêòóðà è ïåðâîå çâåçäíîå íàñåëåíèå. ×òî ïðîèñõîäèëî ñ ãàëàêòèêàìè íà ðàçíûõ ýòàïàõ ýòîãî ïóòè? Êàê îíè ýâîëþöèîíèðîâàëè? Íåò ñîìíåíèé, ÷òî ãàëàêòèêè ìåíÿëè ñâîþ ñâåòèìîñòü, öâåò è ñïåêòð, ïîñêîëüêó äàâíî ðîäèâøèåñÿ ïîêîëåíèÿ çâåçä ïîñòåïåííî ñòàðåëè è âûìèðàëè «ñ ìàññèâíîãî êîíöà»: êàê èçâåñòíî, ìàññèâíûå çâåçäû æèâóò ñîâñåì ìàëî ïî êîñìè÷åñêèì ìåðêàì — îêîëî 10 ìëí ëåò, òîãäà êàê çâåçäû ñ ìàññîé Ñîëíöà ñâåòÿò ïî÷òè 10 ìëðä ëåò. Îäíàêî â ïðîöåññå æèçíè ëþáîé ãàëàêòèêè ñâîé ñâåò â åå îáùóþ ñâåòèìîñòü äîáàâëÿëè íîâûå çâåçäû, ðîæäàâøèåñÿ íà î÷åðåäíîì ýòàïå åå ýâîëþöèè. Ïîñêîëüêó èñòîðèÿ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ó êàæäîé ãàëàêòèêè ñâîÿ — â ðàçíîå âðåìÿ ê ðàçíûì åå ïîäñèñòåìàì äîáàâëÿåòñÿ ðàçíîå êîëè÷åñòâî ìîëîäûõ çâåçä, — òî ýâîëþöèÿ öâåòà è ñïåêòðà êàæäîé çâåçäíîé ñèñòåìû ñâîåîáðàçíà è íåïîâòîðèìà. Õèìè÷åñêèé ñîñòàâ çâåçä è ìåæçâåçäíîãî ãàçà â ãàëàêòèêå ñî âðåìåíåì ìîæåò èçìåíÿòüñÿ, à òî÷íåå — îí îáÿçàòåëüíî äîëæåí èçìåíÿòüñÿ, ïîñêîëüêó çâåçäû â ïðîöåññå ñâîåãî òåðìîÿäåðíîãî ãîðåíèÿ ñèíòåçèðóþò èç âîäîðîäà ïóòåì ðàçíûõ ðåàêöèé âñþ òàáëèöó Ìåíäåëååâà. ×åì äîëüøå æèâåò ãàëàêòèêà è ÷åì äîëüøå ãîðÿò â íåé çâåçäû, òåì, êàçàëîñü áû, áîëüøå äîëæíî áûòü â åå âåùåñòâå òÿæåëûõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, ñèíòåçèðîâàííûõ â çâåçäàõ. Òîò ôàêò, ÷òî õèìè÷åñêèé ñîñòàâ çâåçä äèñêà íàøåé ãàëàêòèêè ïðàêòè÷åñêè íå ìåíÿëñÿ ïîñëåäíèå 8–9 ìëðä ëåò, óäèâëÿåò è òðåáóåò îáúÿñíåíèÿ. Ýòó îñîáåííîñòü õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè íàøåé çâåçäíîé ñèñòåìû íóæíî ïîíÿòü è ïðîìîäåëèðîâàòü, ÷òî, âïðî÷åì, è äåëàþò âåñüìà óñïåøíî èññëåäîâàòåëè õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè ãàëàêòèê.
312
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
Íàêîíåö, â õîäå ýâîëþöèè ãàëàêòèêè ìîãóò ìåíÿòü íå òîëüêî ñîñòàâ ñâîåãî âåùåñòâà è ñîîòíîøåíèå çâåçä ðàçíîãî òèïà, íî äàæå ñâîþ ôîðìó è ìîðôîëîãè÷åñêèé òèï. Ýòî ñàìàÿ óäèâèòåëüíàÿ, ãðàíäèîçíàÿ è âïå÷àòëÿþùàÿ ýâîëþöèÿ, êîòîðàÿ ïðîèñõîäèò ïîä äåéñòâèåì ïðîöåññîâ, îïèñûâàåìûõ çàêîíàìè çâåçäíîé è ãàçîâîé äèíàìèêè. Èçó÷àòü ýâîëþöèþ ãàëàêòèê ïóòåì íàáëþäåíèé ìîæíî äâóìÿ ïðèíöèïèàëüíî ðàçíûìè ñïîñîáàìè. Ïåðâûé ñîñòîèò â òîì, ÷òîáû äåòàëüíî ðàçãëÿäûâàòü áëèçêèå ê íàì ãàëàêòèêè — ñîâðåìåííûé ïðîäóêò èõ ïðåäøåñòâîâàâøåé ýâîëþöèè — è ïî íàáîðó èõ íûíåøíèõ ñâîéñòâ ïûòàòüñÿ âîññòàíîâèòü èñòîðèþ èõ æèçíè, êîòîðàÿ ïðèâåëà èìåííî ê òàêîìó êîíå÷íîìó ïðîäóêòó. Ðàçóìååòñÿ, ýòîò ñïîñîá ìîäåëüíî çàâèñèì: ïûòàÿñü òåîðåòè÷åñêè âîñïðîèçâåñòè êîíå÷íûé ïðîäóêò, ìû âûíóæäåíû ìàíèïóëèðîâàòü èçâåñòíûìè íàì ôèçè÷åñêèìè ìåõàíèçìàìè ýâîëþöèè è íå ìîæåì óãàäàòü èíûå ìåõàíèçìû, êîòîðûõ ïðîñòî ïîêà íå çíàåì. Íî âîçìîæåí è àëüòåðíàòèâíûé ïîäõîä: ìîæíî íåïîñðåäñòâåííî íàáëþäàòü ãàëàêòèêè ñ ðàçíûìè êðàñíûìè ñìåùåíèÿìè, êîòîðûå, ñîãëàñíî çàêîíó Õàááëà, ðàñïîëîæåíû íà ðàçíûõ ðàññòîÿíèÿõ îò íàñ è, â ñèëó êîíå÷íîé ñêîðîñòè ñâåòà, âèäíû ñ ðàçíûì çàïàçäûâàíèåì âî âðåìåíè. ×åì áîëüøå êðàñíîå ñìåùåíèå ãàëàêòèêè, òåì â áîëåå ãëóáîêîì ïðîøëîì ìû åå âèäèì, òåì äàëüøå îíà îò íàñ â ïðîñòðàíñòâå è, ê ñîæàëåíèþ, òåì òðóäíåå åå èññëåäîâàòü. Íî ñîâðåìåííàÿ íàáëþäàòåëüíàÿ òåõíèêà äîñòèãëà íåâåðîÿòíî âûñîêîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè: ñåé÷àñ ïðàêòè÷åñêè âñÿ Âñåëåííàÿ ïðîñìàòðèâàåòñÿ áîëüøèìè òåëåñêîïàìè íàñêâîçü, âïëîòü äî ýïîõè, îòñòîÿùåé îò Áîëüøîãî âçðûâà íå áîëåå ÷åì íà ïîëìèëëèàðäà ëåò. Èìåííî â òó ýïîõó, ïî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì, ãàëàêòèêè íà÷àëè çàðîæäàòüñÿ. Êàçàëîñü áû, èìåííî âòîðîé ïîäõîä ãàðàíòèðóåò íàì ïðÿìîé ñïîñîá èçó÷åíèÿ ýâîëþöèè ãàëàêòèê: ïîñêîëüêó ìû íàáëþäàåì èõ íà ðàçíûõ ñòàäèÿõ ýâîëþöèè, åñòü âîçìîæíîñòü âûñòðîèòü ïîëíóþ ýâîëþöèîííóþ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü. Íî íà ñàìîì äåëå âòîðîé ïîäõîä òîæå ìîäåëüíî çàâèñèì. Ãëÿäÿ â ãëóáü âåêîâ, ìû íå ìîæåì ïðîíàáëþäàòü æèçíåííûé öèêë êàêîé-òî îäíîé ãàëàêòèêè: íà ðàçíûõ ñòàäèÿõ ýâîëþöèè ìû íàáëþäàåì ðàçíûå ãàëàêòèêè, ïðè÷åì â ðåæèìå «ñòîï-êàäðîâ».  ìàñøòàáå ãàëàêòèê ýâîëþöèîííûå ïðîöåññû ðàçâèâàþòñÿ òàê ìåäëåííî, ÷òî ìû íå çàìå÷àåì èçìåíåíèé â êàæäîé êîíêðåòíîé ãàëàêòèêå è ëèøü ïîäîçðåâàåì, ÷òî èç îäíèõ, áîëåå ðàííèõ, ãàëàêòèê ñî âðåìåíåì ïîëó÷àþòñÿ äðóãèå, áîëåå ïîçäíèå, áëèçêèå ê íàì â ïðîñòðàíñòâå è âðåìåíè. ×òîáû èç îòäåëüíûõ «ñòîï-êàäðîâ» ðàçíûõ ýïîõ
8.2. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ ñõåìà èëè èñòîðè÷åñêàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü?
313
ïîñòðîèòü íåïðîòèâîðå÷èâóþ êàðòèíó ýâîëþöèè, âñå ðàâíî òðåáóþòñÿ ïðåäïîëîæåíèÿ î ìåõàíèçìàõ ýâîëþöèè. Êðîìå òîãî, íåîáõîäèìî ñîãëàñîâàòü êîëè÷åñòâî ãàëàêòèê-ïðåäøåñòâåííèêîâ è èõ ïðÿìûõ ïîòîìêîâ íà ðàçíûõ êðàñíûõ ñìåùåíèÿõ, ò. å. â ðàçíûå ýïîõè. Ïîýòîìó íàèáîëåå ïðîäóêòèâíûé ïîäõîä ïðè âîññòàíîâëåíèè èñòîðèè æèçíè ãàëàêòèê — ïûòàòüñÿ ñî÷åòàòü îáà ìåòîäà, èñïîëüçóÿ âñå èìåþùèåñÿ íàáëþäàòåëüíûå äàííûå.
8.2. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ ñõåìà èëè èñòîðè÷åñêàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü? Ýâîëþöèÿ âçãëÿäîâ íà ýâîëþöèþ Êîãäà Ýäâèí Õàááë âûñòðàèâàë ñâîþ ñõåìó ìîðôîëîãè÷åñêèõ òèïîâ ãàëàêòèê, ñëåâà îí ðàçìåñòèë ñàìûå «ïðîñòûå» (îäíîêîìïîíåíòíûå) çâåçäíûå ñèñòåìû — ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè, à äàëåå — ÷åì ïðàâåå íà ñõåìå, òåì ñëîæíåå âûãëÿäèò ñòðóêòóðà ãàëàêòèê. Òèïû ãàëàêòèê â ëåâîé ÷àñòè ñõåìû Õàááë íàçâàë ðàííèìè, à â ïðàâîé ÷àñòè — ïîçäíèìè. Áûòü ìîæåò, â ýòó ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ìîðôîëîãè÷åñêèõ òèïîâ ãàëàêòèê, íàïîìèíàþùóþ êàìåðòîí, Õàááë âêëàäûâàë ýâîëþöèîííûé ñìûñë? Ñ îäíîé ñòîðîíû, â åãî ñòàòüå 1926 ã. î ìîðôîëîãè÷åñêîé êëàññèôèêàöèè ãàëàêòèê åñòü ïðèìå÷àíèå, ÷òî òèïû ãàëàêòèê — ýòî ÷èñòàÿ ôåíîìåíîëîãèÿ, äåñêàòü, íå èùèòå â íèõ ñêðûòûõ ñìûñëîâ. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, â ýòîé æå ñòàòüå îí ïðèçíàåòñÿ, ÷òî ïîñòðîåííàÿ èñêëþ÷èòåëüíî ïî íàáëþäàòåëüíûì ïðèçíàêàì ïîñëåäîâàòåëüíîñòü òèïîâ ãàëàêòèê «ïî÷òè èäåíòè÷íà ïóòè ðàçâèòèÿ, èçâëå÷åííîìó Äæèíñîì èç ÷èñòî òåîðåòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé». Êàê èçâåñòíî, àíãëèéñêèé àñòðîôèçèê Äæåéìñ Äæèíñ â íà÷àëå ÕÕ â. ñôîðìóëèðîâàë îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ïðèíöèïû, ïî êîòîðûì
Ðèñ. 8.1. Ñõåìà ìîðôîëîãè÷åñêîé êëàññèôèêàöèè ãàëàêòèê, ïðåäëîæåííàÿ Ý. Õàááëîì. Ðèñóíîê èç êíèãè Õàááëà «Realm of the Nebulae» (1936).
314
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
èç ãàçà ôîðìèðóþòñÿ çâåçäû. Çàñåëåíèå ãàëàêòèêè íîâîðîæäåííûìè çâåçäàìè, ñãðóïïèðîâàííûìè â êðóïíîìàñøòàáíûå ñòðóêòóðû, — ýòî êàê ðàç è åñòü ýâîëþöèÿ ãàëàêòèêè, ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêàÿ è ìîðôîëîãè÷åñêàÿ. Íà íàø âçãëÿä, åñòü âñå îñíîâàíèÿ ïîëàãàòü, ÷òî Õàááë ñ÷èòàë âåðîÿòíûì ðàçâèòèå ñïèðàëüíîé ãàëàêòèêè èç ýëëèïòè÷åñêîé ïóòåì íàðàùèâàíèÿ êðóïíîìàñøòàáíîãî äèñêà âîêðóã èçíà÷àëüíî îäíîðîäíîãî çâåçäíîãî ñôåðîèäà. Òî åñòü íàïðàâëåíèå ýâîëþöèè ãàëàêòèê íà ñõåìå ìîðôîëîãè÷åñêèõ òèïîâ ðèñîâàëîñü åìó ïîäîáíûì íàïðàâëåíèþ åâðîïåéñêîé ïèñüìåííîñòè — ñëåâà íàïðàâî, âäîëü ðó÷êè, à çàòåì âäîëü íîæåê «êàìåðòîíà». Ñåìèäåñÿòûå ãîäû ïðîøëîãî âåêà áûëè ðàííèì çîëîòûì âåêîì âíåãàëàêòè÷åñêîé àñòðîíîìèè. Ïîÿâèëèñü ïåðâûå, åùå íåìíîãî÷èñëåííûå, íî óæå ðåøàþùèå äëÿ ìèðîâîççðåíèÿ èññëåäîâàòåëåé íàáëþäàòåëüíûå äàííûå î ñòðóêòóðå, êèíåìàòèêå è çâåçäíîì íàñåëåíèè ãàëàêòèê (Sandage, 1975).  íîãó ñ íàáëþäåíèÿìè øëà è òåîðåòè÷åñêàÿ ìûñëü: ìîëîäûå ãåíèàëüíûå àñïèðàíòû âàÿëè ìîäåëè «íà âåêà», òàêèå, íàïðèìåð, êàê ïðåäëîæåííàÿ Ðè÷àðäîì Ëàðñîíîì ìîäåëü ôîðìèðîâàíèÿ ãàëàêòèêè ïóòåì «ìîíîëèòíîãî êîëëàïñà» ïðîòîãàëàêòè÷åñêîãî ãàçîâîãî îáëàêà èëè ìîäåëü ýâîëþöèîííîãî ñèíòåçà èíòåãðàëüíîãî ñïåêòðà ãàëàêòèê, ðàçðàáîòàííàÿ Áåàòðèñ Òèíñëè.  òå ãîäû ñòàëî ÿñíî, ÷òî ôîðìèðîâàíèå ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê èç ýëëèïòè÷åñêèõ â ìàññîâîì ïîðÿäêå íåâîçìîæíî: ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè â ñðåäíåì ìàññèâíåå ïîçäíèõ ñïèðàëüíûõ. Áîëåå òîãî, Ðè÷àðä Ëàðñîí, óòî÷íÿÿ ñâîè ìîäåëè ìîíîëèòíîãî êîëëàïñà, â êîíöå êîíöîâ ïðèøåë ê âûâîäó, ÷òî èç ïðîòîãàëàêòè÷åñêîãî ãàçîâîãî îáëàêà çâåçäíûé äèñê ñôîðìèðîâàòüñÿ ìîæåò, à âîò ñôåðîèäàëüíàÿ ýëëèïòè÷åñêàÿ ãàëàêòèêà — íåò. Íàáëþäåíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè âðàùàþòñÿ î÷åíü ìåäëåííî è ÷òî âñÿ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ èõ çâåçä ñîñðåäîòî÷åíà â èõ õàîòè÷åñêîì äâèæåíèè. ×òîáû ïîëó÷èòü òàêóþ çâåçäíóþ ñèñòåìó, ó ïðîòîãàëàêòè÷åñêîãî îáëàêà íàäî áûëî îòîáðàòü ìîìåíò èìïóëüñà, ò. å. çàìåäëèòü åãî âðàùåíèå, à ïðèåìëåìûõ ôèçè÷åñêèõ ìåõàíèçìîâ äëÿ ýòîãî â ðàìêàõ ìîäåëè ìîíîëèòíîãî êîëëàïñà íàéòè íå óäàâàëîñü. Ê 1978 ã. Ðè÷àðä Ëàðñîí ðåøèëñÿ íà ïðèíöèïèàëüíûé øàã è ðåçêî èçìåíèë ïîäõîä ê ôîðìèðîâàíèþ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê: îí ïðèíÿë èäåþ Òîîìðå îá îïðåäåëÿþùåé ðîëè âçàèìîäåéñòâèé è ñëèÿíèé ãàëàêòèê â èõ ýâîëþöèè è ïðåäïîëîæèë, ÷òî ýëëèïòè÷åñêàÿ ãàëàêòèêà ôîðìèðóåòñÿ ïóòåì ñëèÿíèÿ äâóõ äèñêîâûõ, ñïèðàëüíûõ. Íà æàðãîíå ïðîôåññèîíàëîâ ýòîò ïðîöåññ íàçûâàþò «ìåðæèíãîì», îò àíãëèéñêîãî merge — ïîãëîùàòü, ñëèâàòüñÿ.
8.2. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ ñõåìà èëè èñòîðè÷åñêàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü?
315
Ðèñ. 8.2. Ïðèìåð ìåðæèíãà, ò. å. ñëèÿíèÿ, äåìîíñòðèðóþò ýòè äâå ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè NGC 6050 è IC 1179, èçâåñòíûå ïîä îáùèì íàçâàíèåì Arp 272. Îíè íàõîäÿòñÿ â êðóïíîì ñêîïëåíèè ãàëàêòèê â ñîçâåçäèè Ãåðêóëåñ íà ðàññòîÿíèè 150 Ìïê îò íàñ. Ñíèìîê ïîëó÷åí êoñìè÷åñêèì òåëåñêîïîì «Õàááë» ñ ýêñïîçèöèåé 5 ÷àñîâ.
Ñöåíàðèé ãàëàêòè÷åñêîãî ìåðæèíãà, êàê ïîëàãàë Ëàðñîí, îäíèì ìàõîì ðåøàåò äâå ïðîáëåìû. Áóðíîå äèíàìè÷åñêîå ñîáûòèå ñëèÿíèÿ äâóõ äèñêîâ îòáèðàåò ó îáîèõ ìîìåíò èìïóëüñà è «ðàçîãðåâàåò» ïîëó÷èâøóþñÿ â èòîãå çâåçäíóþ ñèñòåìó, ñîîáùàÿ åå çâåçäàì õàîòè÷åñêèå äâèæåíèÿ (óâåëè÷èâàÿ äèñïåðñèþ èõ ïðîñòðàíñòâåííûõ ñêîðîñòåé). Îòíîøåíèå îñåé ïîëó÷èâøåãîñÿ çâåçäíîãî ñôåðîèäà îïðåäåëÿåòñÿ îòíîøåíèåì ñðåäíèõ äèñïåðñèé ñêîðîñòåé çâåçä âäîëü íàïðàâëåíèé ýòèõ îñåé. Î òàêèõ ñèñòåìàõ ãîâîðÿò, ÷òî èõ ôîðìà ïîääåðæèâàåòñÿ íå âðàùåíèåì, à àíèçîòðîïíûì õàîòè÷åñêèì äâèæåíèåì çâåçä. Âòîðîé ïðîáëåìîé áûëà ñâÿçü ìåæäó õèìè÷åñêèì ñîñòàâîì è ìàññîé ãàëàêòèêè, êîòîðóþ äåìîíñòðèðóåò ðèñ. 8.3. Âåëè÷èíà [Z/H] — ýòî äåñÿòè÷íûé ëîãàðèôì ñîäåðæàíèÿ (ïî ìàññå) ìåòàëëîâ ê âîäîðîäó îòíîñèòåëüíî çíà÷åíèÿ ýòîé âåëè÷èíû íà Ñîëíöå, ò. å. [Z/H] = 0 ñîîòâåòñòâóåò ñîëíå÷íîìó çíà÷åíèþ ìåòàëëè÷íîñòè (â ôîòîñôåðå Ñîëíöà îêîëî 2% ìåòàëëîâ), à [Z/H] = 0,5 îçíà÷àåò, ÷òî ìåòàëëè÷íîñòü îáúåêòà ïðèìåðíî âòðîå âûøå ñîëíå÷íîãî çíà÷åíèÿ. Âåëè÷èíà MB — ýòî àáñîëþòíàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà ãàëàêòèêè â ôèëüòðå B. Áîëüøèå ÷åðíûå êðóæêè — ãàëàêòèêè ñêîïëåíèé (Virgo, Fornax), ìàëåíüêèå ÷åðíûå êðóæêè — ãàëàêòèêè ãðóïï, ïóñòûå êðóæêè — èçîëèðîâàííûå ãàëàêòèêè, êâàäðàò — öåíòð ãàëàêòèêè M31. Êàê âèäèì, ýôôåêòà ïëîòíîñòè îêðóæåíèÿ íå çàìåòíî: çàâèñèìîñòü â ïëîòíûõ ãðóïïàõ è âíå èõ ïðèìåðíî îäèíàêîâà, íî îíà, íåñîìíåííî, åñòü: ó ýëëèïòè÷åñêèõ ãà-
316
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
Ðèñ. 8.3. Çàâèñèìîñòü ìåòàëëè÷íîñòè çâåçä â ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèêàõ îò äèñïåðñèè ñêîðîñòåé çâåçä (a), à òàêæå îò ìàññû (b) è ñâåòèìîñòè (c) ãàëàêòèêè. Ðèñóíîê èç ðàáîòû Trager et al. (2000).
ëàêòèê õèìè÷åñêèé ñîñòàâ çâåçä ñâÿçàí ñ îáùåé ìàññîé çâåçäíîé ñèñòåìû — ÷åì ìàññèâíåå ýëëèïòè÷åñêàÿ ãàëàêòèêà, òåì âûøå ñîäåðæàíèå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ â åå çâåçäàõ. Íîâûé ñöåíàðèé Ëàðñîíà îáúÿñíÿë òàêóþ çàâèñèìîñòü, åñëè ïðåäïîëàãàòü, ÷òî êàæäîå ñîáûòèå ñëèÿíèÿ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê, ñîäåðæàùèõ íå òîëüêî çâåçäû, íî è ãàç, ñîïðîâîæäàåòñÿ áóðíîé âñïûøêîé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ — áûñòðûì ïðåâðàùåíèåì ãàçà ñëèâàþùèõñÿ ãàëàêòèê â çâåçäû. Ýòè çâåçäû, òî÷íåå, ñàìûå ìàññèâíûå èç íèõ, äîëæíû áûñòðî ïðîèçâåñòè â ñâîèõ íåäðàõ íîâûå òÿæåëûå ýëåìåíòû, âûêèíóòü èõ â ìåæçâåçäíóþ ñðåäó è òåì ñàìûì îáåñïå÷èòü ñëåäóþùèì ïîêîëåíèÿì çâåçä áîëåå âûñîêóþ ìåòàëëè÷íîñòü. Èòàê, êàæäîå ñëèÿíèå — ýòî îäíîâðåìåííî è óâåëè÷åíèå ìàññû âñåé ñèñòåìû, è ïîâûøåíèå ìåòàëëè÷íîñòè çâåçä ýëëèïòè÷åñêîé ãàëàêòèêè; òðåáóåìàÿ êîððåëÿöèÿ åñòåñòâåííûì îáðàçîì óñòàíàâëèâàåòñÿ. Òàê â êîíöå 1970-õ ãã. ïåðåâåðíóëñÿ ýâîëþöèîííûé ñìûñë õàááëîâñêîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ìîðôîëîãè÷åñêèõ òèïîâ: òåïåðü ýâîëþöèþ «ðèñîâàëè» ñïðàâà íàëåâî: ñíà÷àëà îáðàçîâûâàëèñü ÷èñòî äèñêîâûå ãàëàêòèêè, à çàòåì óæå äèñêè ñëèâàëèñü è ôîðìèðîâàëè ñôåðîèäû — ãàëàêòèêè ýëëèïòè÷åñêèå. Ýòà èäåÿ î÷åíü ïîíðàâèëàñü êîñìîëîãàì, èññëåäóþùèì îáùóþ êàðòèíó ýâîëþöèè Âñåëåííîé ñ äðóãîé, òåîðåòè÷åñêîé ñòîðîíû. Ãëàâíàÿ èäåÿ ñîâðåìåííîé êîñìîëîãè÷åñêîé êàðòèíû ìèðà — ýòî ãðàâèòàöèîííîå ñêó÷èâàíèå òåìíîé ìàòåðèè, êîòîðàÿ â ñìûñëå ãðàâèòàöèè äîìèíèðóåò âî Âñåëåííîé, à áàðèîíû (îáû÷íûé ãàç) ëèøü ïîñëóøíî ñëåäóþò çà íåé. Òåìíàÿ ìàòå-
8.2. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ ñõåìà èëè èñòîðè÷åñêàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü?
317
ðèÿ ñíà÷àëà èäåò âîëíàìè, ïîòîì ðàçáèâàåòñÿ íà êîìêè, çàòåì ýòè êîìêè êîëëàïñèðóþò (ñæèìàþòñÿ äî ñîñòîÿíèÿ äèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ) è íà÷èíàþò ñáëèæàòüñÿ è ñëèâàòüñÿ äðóã ñ äðóãîì ïîä äåéñòâèåì âñå òîé æå ãðàâèòàöèè. Ñëèÿíèÿ èãðàþò êëþ÷åâóþ ðîëü â ôîðìèðîâàíèè êðóïíîìàñøòàáíîé ñòðóêòóðû Âñåëåííîé è â ôîðìèðîâàíèè ãàëàêòèê â ðàìêàõ êîíöåïöèè èåðàðõè÷åñêîãî ñêó÷èâàíèÿ, êîòîðîå ïðîèñõîäèò íåèçáåæíî, åñëè Âñåëåííàÿ çàïîëíåíà òåìíîé ìàòåðèåé è åñëè ýòà òåìíàÿ ìàòåðèÿ íè÷åãî äðóãîãî íå ìîæåò äåëàòü, êðîìå êàê ãðàâèòèðîâàòü. Èòàê, ñîãëàñíî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì êîñìîëîãîâ, â ðàííåé Âñåëåííîé ñíà÷àëà ôîðìèðóþòñÿ ìàëåíüêèå òåìíûå ãàëî, à â íèõ — êàðëèêîâûå ãàëàêòèêè. Ïðè ôîðìèðîâàíèè òåìíûõ ãàëî ãàç, ñîñòàâëÿþùèé ïî ìàññå íå áîëåå 20% îò òåìíîé ìàòåðèè, âèðèàëèçóåòñÿ, òî åñòü ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëÿåòñÿ ïî ñôåðîèäàëüíîìó îáúåìó òåìíîãî ãàëî è íàãðåâàåòñÿ äî âèðèàëüíîé òåìïåðàòóðû, îáåñïå÷èâàþùåé äàâëåíèå, äîñòàòî÷íîå äëÿ ïðèîñòàíîâêè åãî ñæàòèÿ. Çàòåì ãàç ïîñòåïåííî âûñâå÷èâàåòñÿ, îñòûâàåò è îñàæäàåòñÿ â äèñê, ïîñêîëüêó ýíåðãèÿ óõîäèò ñ èçëó÷åíèåì, à ìîìåíò èìïóëüñà íèêóäà íå äåâàåòñÿ.  ãàçîâîì äèñêå íà÷èíàåòñÿ çâåçäîîáðàçîâàíèå — â öåíòðå íåáîëüøîãî òåìíîãî ãàëî ôîðìèðóåòñÿ íåáîëüøàÿ äèñêîâàÿ ãàëàêòèêà. Ïîä äåéñòâèåì âçàèìíîé ãðàâèòàöèè íåáîëüøèå òåìíûå ãàëî ïðîäîëæàþò ñáëèæàòüñÿ, ãðóïïèðîâàòüñÿ è ñëèâàòüñÿ. Ïðè ñëèÿíèè äâóõ òåìíûõ ãàëî èõ äâå äèñêîâûå ãàëàêòèêè òîæå ñëèâàþòñÿ (ïðàâäà, ñ íåêîòîðîé çàäåðæêîé âî âðåìåíè) è îáðàçóþò îäíó ýëëèïòè÷åñêóþ.  ïðèíöèïå, åñëè â îáúåìå òåìíûõ ãàëî åùå îñòàâàëñÿ «áåñïðèçîðíûé» ãîðÿ÷èé ãàç (à ïî ðàñ÷åòàì îí äîëæåí òàì îñòàâàòüñÿ, ïîñêîëüêó îñàæäåíèå è çâåçäîîáðàçîâàíèå — äîâîëüíî íåýôôåêòèâíûå ïðîöåññû), òî ýòîò ãàç áóäåò ïðîäîëæàòü âûñâå÷èâàòüñÿ è îñòûâàòü, îñàæäàÿñü â äèñê óæå âîêðóã öåíòðàëüíîé ýëëèïòè÷åñêîé ãàëàêòèêè. Òàê, ïî ìûñëè òåîðåòèêîâ, ôîðìèðîâàëèñü ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè ðàííèõ òèïîâ — äèñêîâûå, ñ áîëüøèìè áàëäæàìè. Äàëåå ýòî òåìíîå ãàëî, âîçìîæíî, îïÿòü ñ ÷åì-íèáóäü ñîëüåòñÿ; åäâà óñïåâøàÿ ñôîðìèðîâàòüñÿ ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà ðàííåãî òèïà âíîâü ïðèìåò ó÷àñòèå â «áîëüøîì ìåðæèíãå» è ïîðîäèò åùå áîëåå êðóïíóþ ýëëèïòè÷åñêóþ ãàëàêòèêó.  ïðèíöèïå äàëüøå öèêëû ìîãóò ïîâòîðÿòüñÿ. Òàêîâà êëàññè÷åñêàÿ ñõåìà ôîðìèðîâàíèÿ õàááëîâñêèõ ìîðôîëîãè÷åñêèõ òèïîâ ãàëàêòèê, ñôîðìóëèðîâàííàÿ êîñìîëîãàìè â íà÷àëå 1990-õ ãã. Ðàñ÷åòû íà ñóïåðêîìïüþòåðàõ ïîçâîëèëè äàæå âèçóàëèçèðîâàòü ýòîò ïðîöåññ (Governato F. et al., 2012). Êà÷åñòâåííî âðîäå áû âñå ïîëó÷àëîñü õîðîøî. Îäíàêî ñîâðåìåííàÿ êîñìîëîãèÿ
318
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
ïðåòåíäóåò íà òî, ÷òî òåïåðü ýòî òî÷íàÿ, êîëè÷åñòâåííàÿ íàóêà: îñíîâíûå êîñìîëîãè÷åñêèå ïàðàìåòðû îïðåäåëÿþòñÿ ñ ôîðìàëüíîé òî÷íîñòüþ â íåñêîëüêî ïðîöåíòîâ.  òàêîì ñëó÷àå êëþ÷åâîé âîïðîñ â ýòîì ñòðîéíîì ñöåíàðèè ôîðìèðîâàíèÿ ìîðôîëîãè÷åñêèõ òèïîâ ãàëàêòèê — åãî âðåìåíía2ÿ øêàëà. Îáùåïðèíÿòîé êîñìîëîãè÷åñêîé ìîäåëüþ ñåé÷àñ ÿâëÿåòñÿ ìîäåëü ñ õîëîäíîé òåìíîé ìàòåðèåé è Ë-÷ëåíîì â óðàâíåíèè Ýéíøòåéíà, ñîêðàùåííî ËCDM- èëè Lambda-CDM (îò Lambda-Cold Dark Matter).  ýòîé ìîäåëè â ðàìêàõ êîíöåïöèè èåðàðõè÷åñêîãî ñêó÷èâàíèÿ âñå âðåìåíà çàæàòû äîñòàòî÷íî æåñòêî: íàïðèìåð, ìàññèâíûå ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè äîëæíû ôîðìèðîâàòüñÿ ïîñëåäíèìè, è ïðè ýòîì ñðàâíèòåëüíî íåäàâíî. Âñå ðàñ÷åòû, âñå ÷èñëåííûå ìîäåëè óêàçûâàþò, ÷òî ýïîõà ïîñëåäíèõ áîëüøèõ ñëèÿíèé, ðîæäàþùèõ êðóïíûå ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè, óäàëåíà îò íàñ íà êðàñíîå ñìåùåíèå z = 0,5–0,7, òî åñòü íà 5–6 ìëðä ëåò â ïðîøëîå. Åñëè ýòî ñëèÿíèå ñîïðîâîæäàëîñü âñïûøêîé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, òî ìû äîëæíû âèäåòü â áëèçêèõ ãèãàíòñêèõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèêàõ îòíîñèòåëüíî ìîëîäûå çâåçäû. Íà ñàìîì äåëå èõ òàì íåò. Èç áëèçêèõ ãàëàêòèê èìåííî ãèãàíòñêèå ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè — ñàìûå ñòàðûå çâåçäíûå ñèñòåìû (íàðÿäó ñ øàðîâûìè ñêîïëåíèÿìè): äëÿ íèõ íàáëþäàåòñÿ êîððåëÿöèÿ «ìàññà — âîçðàñò çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ». Åñëè ó ýëëèïòè÷åñêèõ êàðëèêîâ èçìåðåííûé ñðåäíèé âîçðàñò çâåçä åùå áûâàåò îêîëî 5 ìëðä ëåò, òî ó ãèãàíòñêèõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê âñå çâåçäû ñòàðøå 10 ìëðä ëåò, è óæ òî÷íî íèêàêèõ âñïûøåê çâåçäîîáðàçîâàíèÿ îíè íå èñïûòûâàëè ïîñëå z = 1. ×òî ìîãóò ñêàçàòü òåîðåòèêè íà ýòî ðàçíîãëàñèå ìåæäó òåîðåòè÷åñêèìè ïðîãíîçàìè è íàáëþäåíèÿìè?  ïðèíöèïå, òåîðåòèêè — íàðîä èçîáðåòàòåëüíûé. Îíè çàÿâèëè: ïóñòü ãèãàíòñêèå ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè îáðàçóþòñÿ ñëèÿíèÿìè, íî íå ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê, à äðóãèõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê, ïîìåíüøå, â êîòîðûõ íåò ãàçà. Òîãäà áóäåò «ñóõîé ìåðæèíã», áåç ãàçà, âñïûøêè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ íå ïðîèçîéäåò, è âñå çâåçäû â ïðîäóêòå ñëèÿíèÿ îñòàíóòñÿ ñòàðûìè. Äåéñòâèòåëüíî, ïðîáëåìó áîëüøîãî âîçðàñòà çâåçä â ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèêàõ òàêîé ñöåíàðèé ðåøàåò. Ïðàâäà, òóò æå ïîÿâëÿåòñÿ ïðîáëåìà ñ êîððåëÿöèåé «ìåòàëëè÷íîñòü—ìàññà»: åñëè íîâàÿ ãàëàêòèêà ïîëó÷èò ïîëíûé íàáîð ñâîèõ çâåçä îò ãàëàêòèê-ïðåäøåñòâåííèêîâ, èìåâøèõ ìåíüøóþ ìàññó, òî âìåñòå ñî ñðåäíèì âîçðàñòîì çâåçä ïðîäóêò ñëèÿíèÿ óíàñëåäóåò è ñðåäíþþ ìåòàëëè÷íîñòü çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ.  òàêîì ñöåíàðèè êîððåëÿöèè ìàññû ãàëàêòèêè ñ ìåòàëëè÷íîñòüþ âîîáùå íå äîëæíî áûòü.
8.3. Ìåõàíèçìû ýâîëþöèè ãàëàêòèê
319
Àïîôåîçîì âíåñåíèÿ ýâîëþöèîííîãî ñìûñëà â õàááëîâñêóþ ñõåìó ìîðôîëîãè÷åñêèõ òèïîâ ãàëàêòèê ñòàëî ñîåäèíåíèå äâóõ íîæåê õàááëîâñêîãî «êàìåðòîíà» íàêëîííûìè ïåðåìû÷êàìè: ãàëàêòèêè, èìåþùèå áàðû, ìîãóò èõ òåðÿòü è ïîçæå ïðèîáðåòàòü ñíîâà; ïî ìíåíèþ òåîðåòèêîâ-äèíàìèêîâ, áàðû ÿâëÿþòñÿ òðàíçèåíòíûìè (âðåìåííûìè) ñòðóêòóðàìè. Ê ýòîìó âûâîäó òåîðåòèêè ïðèøëè íà îñíîâå ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ, êîòîðîå ïîêàçàëî, ÷òî áàðû çàðîæäàþòñÿ â öåíòðàõ ãàëàêòè÷åñêèõ äèñêîâ ïîä äåéñòâèåì ðàçíûõ ìåõàíèçìîâ äèíàìè÷åñêîé ýâîëþöèè. Ìîæíî âçÿòü èçîëèðîâàííûé äèñê, ñîñòîÿùèé íà 90% èç çâåçä è íà 10% èç ãàçà, ò. å. äîñòàòî÷íî õîëîäíûé â äèíàìè÷åñêîì ñìûñëå, è îñòàâèòü åãî «â ïîêîå», ò. å. â ñîñòîÿíèè ñïîêîéíîãî âðàùåíèÿ. ×åðåç íåìíîãèå ñîòíè ìèëëèîíîâ ëåò â öåíòðå òàêîãî äèñêà ñàì ñîáîé ïîÿâèòñÿ çàìåòíûé áàð — ðåçóëüòàò ðàçâèòèÿ ãðàâèòàöèîííîé íåóñòîé÷èâîñòè â äèíàìè÷åñêè õîëîäíîì äèñêå. Ìîæíî âçÿòü äàæå âïîëíå óñòîé÷èâûé çâåçäíûé äèñê, îêðóæåííûé ñòàáèëèçèðóþùèì åãî òåìíûì ãàëî, è çàïóñòèòü áëèçêèé ïðîëåò ñïóòíèêà, íåáîëüøîãî, íàïðèìåð ñ ìàññîé â 10% îò ìàññû îñíîâíîé ãàëàêòèêè. È â ýòîì ñëó÷àå íå òîëüêî âî âíåøíèõ ÷àñòÿõ äèñêà âûòÿíóòñÿ õâîñòû è ñïèðàëè, íî è â åãî öåíòðå ñôîðìèðóåòñÿ áàð, âðàùàþùèéñÿ ñ óãëîâîé ñêîðîñòüþ ïðîõîæäåíèÿ ñïóòíèêà ïî îðáèòå.  îáùåì, áàðû íåèçáåæíî ôîðìèðóþòñÿ â òå÷åíèå æèçíè äèñêîâûõ ãàëàêòèê; íî îêàçàëîñü, ÷òî îíè òàêæå ìîãóò èñ÷åçàòü, «ðàññàñûâàòüñÿ». Åñëè â öåíòð ãàëàêòèêè «óðîíèòü» çíà÷èòåëüíóþ ìàññó, íàïðèìåð â 5% îò îáùåé ìàññû ãàëàêòèêè (ñêàæåì, ðåçêî íàðàñòèòü â ìîäåëè ìàññó áàëäæà), òî ýòà ñèëüíî êîíöåíòðèðîâàííàÿ ìàññà «öèðêóëÿðèçóåò» îðáèòû çâåçä â ñâîåé äîñòàòî÷íî ïðîòÿæåííîé îêðåñòíîñòè — è áàð èñ÷åçíåò. Ïîçæå, íàïðèìåð ïîñëå î÷åðåäíîãî áëèçêîãî ïðîõîæäåíèÿ äðóãîé ãàëàêòèêè, áàð ìîæåò ïîÿâèòüñÿ ñíîâà.  ðåçóëüòàòå ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà áóäåò «ïóòåøåñòâîâàòü» ìåæäó íîæêàìè õàááëîâñêîãî «êàìåðòîíà», ïîñòåïåííî íàðàùèâàÿ áàëäæ, òî åñòü ñäâèãàÿñü ê ðàííèì òèïàì.
8.3. Ìåõàíèçìû ýâîëþöèè ãàëàêòèê Òåîðåòè÷åñêàÿ ìûñëü ðàáîòàåò â èçâåñòíîì ñìûñëå íåçàâèñèìî îò íàáëþäåíèé è îò ðåàëüíîé æèçíè ãàëàêòèê. Òî åñòü ðåçóëüòàòû íàáëþäåíèé, êîíå÷íî, ÷àñòî ñëóæàò îòïðàâíîé òî÷êîé ðàçìûøëåíèé òåîðåòèêîâ, íî äàëüøå íàó÷íàÿ ìûñëü òâîðèò ñâîé ìèð, ãîðàçäî áîëåå ñòðîéíûé è ëîãè÷íûé, ÷åì ðåàëüíàÿ æèçíü, ìèð, çàâåäîìî ñîäåðæàùèé ìåíüøåå ÷èñëî äåòàëåé, íî áîëüøåå ÷èñëî ñâÿçåé è çàêîíîìåðíîñòåé. Íà ðèñ. 8.4 ïðèâåäåíà ñõåìà, ñâîäÿùàÿ âîåäèíî âîçìîæíûå
320
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
áûñòðàÿ
Ãëîáàëüíàÿ ýâîëþöèÿ
Ïðîòîãàëàêòè÷åñêèé ïðîöåññ: ãðàâèòàöèîííîå ñæàòèå êðóïíîãî îáëàêà, âûäåëèâøåãîñÿ èç ïî÷òè îäíîðîäíîé äîãàëàêòè÷åñêîé ñðåäû
Ñëèÿíèå ãàëàêòèê, óäàëåíèå èç íèõ ãàçà ëîáîâûì äàâëåíèåì âíåøíåé ñðåäû è ò. ï.
ìåäëåííàÿ
Ìèêðîýâîëþöèÿ Çâåçäîîáðàçîâàíèå, êðóãîâîðîò ãàçà, îáîãàùåíèå ìåòàëëàìè, ýíåðãîâûäåëåíèå ÷åðåç çâåçäíûé âåòåð è âçðûâû ñâåðõíîâûõ è äð.
Âíóòðåííÿÿ âåêîâàÿ ýâîëþöèÿ, äâèæèìàÿ íåîñåñèììåòðè÷íûìè íåóñòîé÷èâîñòÿìè: — òåìíûì ãàëî; — áàðîì è îâàëîì; — ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðîé; — öåíòðàëüíîé ÷åðíîé äûðîé; — ãàëàêòè÷åñêèì âåòðîì è ôîíòàíàìè è äð. âíóòðåííÿÿ
Âíåøíÿÿ âåêîâàÿ ýâîëþöèÿ: — ìàëûå ñëèÿíèÿ; — ïëàâíàÿ àêêðåöèÿ âíåøíåãî ãàçà; — ñáëèæåíèÿ ñ ãàëàêòèêàìè (ãðàâèòàöèîííûå ïðèëèâû) è äð.
âíåøíÿÿ
Ðèñ. 8.4. Êëàññèôèêàöèÿ ôèçè÷åñêèõ ìåõàíèçìîâ, óïðàâëÿþùèõ ãëîáàëüíîé ýâîëþöèåé ãàëàêòèê (ïî Kormendy, Kennicutt, 2004).
ìåõàíèçìû ýâîëþöèè ãàëàêòèê, ïðèäóìàííûå òåîðåòèêàìè — îò÷àñòè íà îñíîâå íàáëþäàòåëüíûõ ôåíîìåíîâ, îò÷àñòè íà îñíîâå ïðåäñêàçàííûõ ñâÿçåé ìåæäó ÿâëåíèÿìè, îïðåäåëÿåìûõ èçâåñòíûìè ôèçè÷åñêèìè ñèëàìè. Ìåõàíèçìû ðàñêëàññèôèöèðîâàíû ïî äâóì îñíîâíûì õàðàêòåðèñòèêàì: ïî ìàñøòàáàì ïðîñòðàíñòâà (âíóòðåííèå — âíåøíèå) è ìàñøòàáàì âðåìåíè (áûñòðûå — ìåäëåííûå). Ñêîðîñòü ìåõàíèçìà îöåíèâàåòñÿ ïî îòíîøåíèþ åãî õàðàêòåðíîãî âðåìåíè ê äâóì áëèçêèì ïî çíà÷åíèþ äèíàìè÷åñêèì âðåìåíàì: ïåðèîäó âðàùåíèÿ ãàëàêòèêè è åå âðåìåíè ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ, ò. å. êîëëàïñà.  ïðåäåëàõ îòäåëüíîé ãàëàêòèêè áûñòðûå ìåõàíèçìû — ýòî òå, êîòîðûå äåéñòâóþò íà âðåìåíàõ â íåñêîëüêî ñîòåí ìèëëèîíîâ ëåò; ìåäëåííûå ìåõàíèçìû ïîðîæäàþò çàìåòíûå èçìåíåíèÿ â ãàëàêòèêå ëèøü çà ìèëëèàðäû ëåò. À ÷òî òàêîå âíóòðåííèå è âíåøíèå ìåõàíèçìû? Ýòî ñîâñåì ïðîñòî: âíóòðåííèå ìåõàíèçìû äåéñòâóþò â èçîëèðîâàííûõ ãàëàêòèêàõ, åñëè òàêóþ ãàëàêòèêó îñòàâèòü â ïîêîå. À äëÿ çàïóñêà âíåøíèõ ìåõàíèçìîâ íåîáõîäèìû ïîñòîðîííèå àãåíòû — ñîñåäíèå ãàëàêòèêè èëè ìåæãàëàêòè÷åñêàÿ ñðåäà.  îòäåëüíîé ðàìêå â öåíòðå ñõåìû ïîêàçàíû «àãåíòû ýâîëþöèè», äåéñòâóþùèå ïîñòîÿííî, ò. å. èìåþùèå øèðîêèé ñïåêòð õàðàêòåðíûõ âðåìåí. Îíè ñîïðîâîæäàþò ëþáûå äðóãèå
8.3. Ìåõàíèçìû ýâîëþöèè ãàëàêòèê
321
äèíàìè÷åñêèå ñîáûòèÿ â æèçíè ãàëàêòèêè, êàê âíóòðåííèå, «êàìåðíûå», òàê è ñïðîâîöèðîâàííûå èçâíå. Òåïåðü îáñóäèì îòäåëüíî êàæäóþ ãðóïïó ìåõàíèçìîâ. Ñíà÷àëà ïðîéäåìñÿ ïî óãëàì ñõåìû, à ïîçæå çàãëÿíåì â åå öåíòð. 8.3.1. Ïðîòîãàëàêòè÷åñêèé êîëëàïñ Ñàìîå ïðîñòîå è áûñòðîå âíóòðåííåå ñîáûòèå â æèçíè ãàëàêòèêè — åå ðîæäåíèå â ïðîöåññå ïðîòîãàëàêòè÷åñêîãî êîëëàïñà. Èäåÿ, ëåæàùàÿ â îñíîâå òåîðèè ãðàâèòàöèîííîãî êîëëàïñà, âîñõîäèò ê Íüþòîíó, à îñíîâó ôèçè÷åñêîé òåîðèè ýòîãî ïðîöåññà çàëîæèë Äæåéìñ Äæèíñ, èññëåäîâàâøèé ìåõàíèçìû ôîðìèðîâàíèÿ çâåçä è ãàëàêòèê. Èìåííî îí íàøåë ñîîòíîøåíèå ìåæäó òåìïåðàòóðîé è ïëîòíîñòüþ äèôôóçíîé ñðåäû, ïðè êîòîðûõ ìîæåò íà÷àòüñÿ âûäåëåíèå èç íåå è äàëüíåéøåå ãðàâèòàöèîííîå ñæàòèå ãàçîâûõ îáëàêîâ. Ñàì Äæèíñ íå ñìîã óâåðåííî ïðèìåíèòü ñâîþ òåîðèþ ê íàáëþäåíèÿì (Äæèíñ, 1932), ïîñêîëüêó â íà÷àëå ÕÕ â. ïî÷òè íè÷åãî íå áûëî èçâåñòíî î ìåæçâåçäíîé ñðåäå è òåì áîëåå — î äîãàëàêòè÷åñêîé. Íî âî âòîðîé ïîëîâèíå ÕÕ â. áûëà èçó÷åíà ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà è ðàçâèòà òåîðèÿ Äæèíñà. Îêàçàëîñü, ÷òî îíà äåéñòâèòåëüíî ñïîñîáíà îïèñàòü ðîæäåíèå çâåçä è íåáîëüøèõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé. Åñòåñòâåííî, åñëè ðå÷ü çàøëà î ôîðìèðîâàíèè ãàëàêòèê èç ïî÷òè îäíîðîäíîé äîãàëàêòè÷åñêîé ñðåäû, ïåðâîå, ÷òî ïðèøëî â ãîëîâó òåîðåòèêàì, — îáîáùèòü ìåõàíèçì Äæèíñà íà áîëåå êðóïíûå ìàñøòàáû, ò. å. ïåðåéòè îò îáëàêîâ ñ ìàññîé ïîðÿäêà 1 ìàññû Ñîëíöà (MA), ïîðîæäàþùèõ ïðè êîëëàïñå çâåçäó, ê îáëàêàì ñ ìàññîé ìèëëèàðä èëè ñòî ìèëëèàðäîâ ìàññ Ñîëíöà, èç êîòîðûõ ïðè êîëëàïñå è ñîïóòñòâóþùåé åìó ôðàãìåíòàöèè äîëæíà ïîëó÷èòüñÿ ãàëàêòèêà. Òàêîå ñîáûòèå, óñòàíàâëèâàþùåå ýâîëþöèîííóþ ñâÿçü «îäíî ãàçîâîå îáëàêî ® îäíà ãàëàêòèêà», ñåé÷àñ íàçûâàþò ìîíîëèòíûì êîëëàïñîì. Äâå ìîäåëè ìîíîëèòíîãî êîëëàïñà áûëè âûäâèíóòû è ðàçâèòû ïðàêòè÷åñêè îäíîâðåìåííî — äèññèïàòèâíàÿ è áåçäèññèïàòèâíàÿ. Ðàçâèòèåì ïåðâîé çàíèìàëñÿ Ðè÷àðä Ëàðñîí (R. B. Larson), à âòîðîé — Ðè÷àðä Ãîòò (J. R. Gott, III); îáà — àìåðèêàíñêèå àñòðîôèçèêè. Ôàêòè÷åñêè ýòî áûëè èõ êàíäèäàòñêèå äèññåðòàöèè, íî âïîñëåäñòâèè ýòè ðàáîòû ïðèçíàëè êëàññè÷åñêèìè òðóäàìè. Èç íàçâàíèé ìîäåëåé ìîæíî ïîíÿòü, ÷òî â ïðîöåññå áåçäèññèïàòèâíîãî êîëëàïñà îáùàÿ ýíåðãèÿ ñèñòåìû ñîõðàíÿåòñÿ, à ïðè äèññèïàòèâíîì — óáûâàåò. Ýòî ïðîèñõîäèò ïîòîìó, ÷òî â ïåðâîì ñëó÷àå êîëëàïñèðóåò çâåçäíàÿ ñèñòåìà, ÷àñòèöû êîòîðîé — çâåçäû — ïðàêòè÷åñêè íå ñòàëêèâàþòñÿ è íå òåðÿþò ñâîþ ìåõàíè÷åñêóþ ýíåðãèþ (î çâåçäíûõ ñèñòåìàõ ãîâîðÿò, ÷òî îíè
322
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
áåññòîëêíîâèòåëüíû). À âî âòîðîì ñëó÷àå ñæèìàåòñÿ ñèñòåìà ãàçîâûõ îáëàêîâ, êîòîðûå ìîãóò ñòàëêèâàòüñÿ, íàãðåâàòüñÿ, âûñâå÷èâàòü òåïëî, îäíèì ñëîâîì, òåðÿòü ýíåðãèþ. Òåì íå ìåíåå íàäî ïîìíèòü, ÷òî ìîìåíò èìïóëüñà, ñâÿçàííûé ñ âðàùåíèåì ñèñòåìû, ïðè êîëëàïñå ïðàêòè÷åñêè âñåãäà ñîõðàíÿåòñÿ: íå ñóùåñòâóåò äîñòàòî÷íî ìîùíûõ ìåõàíèçìîâ åãî îòâîäà.  ìîäåëÿõ Ãîòòà çâåçäîîáðàçîâàíèå ïðîòåêàåò äî íà÷àëà êîëëàïñà è ïðè ýòîì ïîëíîñòüþ èñ÷åðïûâàåò ãàç. Ñëåäîâàòåëüíî, ýòî ñöåíàðèé ôîðìèðîâàíèÿ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê. Êîãäà çâåçäíàÿ ïðîòîãàëàêòèêà îáîñîáëÿåòñÿ îò õàááëîâñêîãî ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé è íà÷èíàåò ñæèìàòüñÿ ïîä äåéñòâèåì ñàìîãðàâèòàöèè, âäîëü îñè âðàùåíèÿ îíà ìîæåò ñæàòüñÿ ñèëüíåå âñåãî, ïîñêîëüêó â ýòîì íàïðàâëåíèè öåíòðîáåæíàÿ ñèëà íå ïðîòèâîäåéñòâóåò ãðàâèòàöèè. Íî è âäîëü îñè âðàùåíèÿ ìàêñèìàëüíîå ñæàòèå, ñîîòâåòñòâóþùåå êîíå÷íîìó ðàâíîâåñíîìó («âèðèàëèçîâàííîìó») ñîñòîÿíèþ çâåçäíîé ñèñòåìû, íå ìîæåò áîëåå ÷åì âäâîå óìåíüøèòü åå íà÷àëüíûé ðàäèóñ: ïðè÷èíà êðîåòñÿ èìåííî â ñîõðàíåíèè ýíåðãèè. Ôèíàëüíàÿ ïëîòíîñòü óïàêîâêè çâåçä â òàêîé íîâîðîæäåííîé ãàëàêòèêå ïîëó÷àåòñÿ íåáîëüøîé — ïîðÿäêà íà òðè ìåíüøå ðåàëüíîé ñðåäíåé ïëîòíîñòè çâåçä â áëèçêèõ ê íàì ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèêàõ. Òàê ÷òî ñöåíàðèé áåçäèññèïàòèâíîãî êîëëàïñà ïðèøëîñü çàáðàêîâàòü ïðàêòè÷åñêè ñðàçó. Áîëüøå ïîâåçëî ìîäåëè äèññèïàòèâíîãî êîëëàïñà, ïðåäïîëàãàþùåé, ÷òî êîëëàïñèðîâàëî áîëüøîå ãàçîâîå îáëàêî. Åñëè ïîëîæèòü ìàññó òàêîãî îáëàêà ðàâíîé ìàññå òèïè÷íîé ãàëàêòèêè, ïîðÿäêà 1011 MA, òî â ïðîöåññå ñæàòèÿ îíî äîëæíî áûñòðî ðàñïàñòüñÿ íà îòäåëüíûå ñãóñòêè, îáëàêà ñ ìàññàìè (106–108) MA. Ýòè îáëàêà íà÷èíàþò ñòàëêèâàòüñÿ ìåæäó ñîáîé, ñëèïàòüñÿ, òåðÿòü ýíåðãèþ äâèæåíèÿ íà íàãðåâ, â ðåçóëüòàòå ÷åãî îáðàçóþòñÿ çâåçäû. Åñëè èñõîäíûé ìîìåíò ïðîòîãàëàêòèêè áûë î÷åíü ìàë, òî çâåçäû ïîñòåïåííî îñåäàþò ê öåíòðó; åñëè æå èñõîäíûé ìîìåíò áûë çíà÷èòåëüíûì, òî çâåçäû îñåäàþò â äèñê.  ðàìêàõ ýòîé ìîäåëè Ëàðñîí óñïåøíî ïîëó÷àë áûñòðî âðàùàþùèåñÿ ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè, íî íå ìîã ïîëó÷èòü ìåäëåííî âðàùàþùèåñÿ ýëëèïòè÷åñêèå. Ïîýòîìó â êîíöå êîíöîâ îí ñòàë ñòîðîííèêîì ñöåíàðèÿ áîëüøîãî ñëèÿíèÿ (áîëüøîãî ìåðæèíãà) äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê. Ïîçæå, êîãäà êîñìîëîãàì ñòàëî ÿñíî, ÷òî ãëàâíûì ãðàâèòèðóþùèì àãåíòîì âî Âñåëåííîé ÿâëÿåòñÿ òåìíàÿ ìàòåðèÿ íåïîíÿòíîé ïðèðîäû, ìàññà êîòîðîé íà ïîðÿäîê áîëüøå ìàññû ãàçà, çâåçä è âîîáùå âñåõ áàðèîíîâ âìåñòå âçÿòûõ, ñöåíàðèé ìîíîëèòíîãî êîëëàïñà ñòàëè ïðèìåíÿòü ê ãàëî èç òåìíîé ìàòåðèè. Ïðè÷åì îò âñåé ìàñøòàáíîé
8.3. Ìåõàíèçìû ýâîëþöèè ãàëàêòèê
323
êàðòèíû êîëëàïñà ïåðâè÷íûõ ôëóêòóàöèé ïëîòíîñòè â áîëüøîì èíòåðâàëå ìàññ îñòàëîñü òîëüêî ôîðìèðîâàíèå òåìíûõ ãàëî ñ ìàññàìè ïîðÿäêà ìàññû Äæèíñà â ýïîõó, ïîñëåäîâàâøóþ ñðàçó ïîñëå ýïîõè ðåêîìáèíàöèè; à ýòî (106–107) MA. Êîëëàïñ òåìíûõ ãàëî — ýòî, êîíå÷íî, êîëëàïñ áåçäèññèïàòèâíûé; îí ïðîòåêàåò òàê áûñòðî, ÷òî ãàç, ïîä÷èíÿÿñü ãðàâèòàöèè òåìíîé ìàòåðèè, íå óñïåâàåò âûñâåòèòüñÿ è îñòûòü, à âèðèàëèçóåòñÿ âìåñòå ñ íåé è ïðèîáðåòàåò «âèðèàëüíóþ òåìïåðàòóðó», êîòîðàÿ äëÿ õàðàêòåðíîé ìàññû ïðîòîãàëàêòèêè ïðåâûøàåò 105 K. Òî åñòü â ôèíàëå ïðîòîãàëàêòè÷åñêîãî êîëëàïñà ïîëó÷àåòñÿ ñôåðîèä èç òåìíîé ìàòåðèè, ïî îáúåìó êîòîðîãî ðàâíîìåðíî «ðàçìàçàí» ãîðÿ÷èé ãàç â êîëè÷åñòâå îò 10 äî 20% îò îáùåé ìàññû ãàëî. Ýòî òåîðåòè÷åñêèå íà÷àëüíûå óñëîâèÿ äëÿ äàëüíåéøåãî ôîðìèðîâàíèÿ (äèñêîâîé) ãàëàêòèêè. 8.3.2. Âíóòðåííÿÿ âåêîâàÿ ýâîëþöèÿ Òåðìèí «âåêîâàÿ ýâîëþöèÿ» (secular evolution) îòíîñèòåëüíî íåäàâíî ïîÿâèëñÿ â îáëàñòè èññëåäîâàíèÿ ýâîëþöèè ãàëàêòèê è åùå íå âïîëíå óòâåðäèëñÿ â ðóññêîÿçû÷íîé íàó÷íîé ëèòåðàòóðå. Ýòîò òåðìèí ïðèøåë èç íåáåñíîé ìåõàíèêè, ãäå ïîíÿòèå «âåêîâîé» îçíà÷àåò «íåïåðèîäè÷åñêèé, ìåäëåííî, íî ïîñòîÿííî èçìåíÿþùèéñÿ â îäíîì íàïðàâëåíèè».  íåáåñíîé ìåõàíèêå ìåäëåííûå äèíàìè÷åñêèå ïðîöåññû ïðîèñõîäÿò íà ìàñøòàáàõ âðåìåíè â ñîòíè è òûñÿ÷è ëåò.  îáëàñòè æå èçó÷åíèÿ ãàëàêòèê «âåêîâàÿ ýâîëþöèÿ» ïîäðàçóìåâàåò ïðîöåññû, ïðèâîäÿùèå ê ñóùåñòâåííûì èçìåíåíèÿì çâåçäíûõ ñèñòåì íà ìàñøòàáàõ âðåìåíè â ìèëëèàðäû ëåò, ÷òî ìåíåå ÷åì íà ïîðÿäîê îòëè÷àåòñÿ îò âðåìåíè æèçíè Âñåëåííîé è, ñëåäîâàòåëüíî, îò âîçðàñòà ñàìèõ ãàëàêòèê. Ìåõàíèçìîâ âíóòðåííåé âåêîâîé ýâîëþöèè ãàëàêòèê òåîðåòèêè ïðåäëîæèëè äîâîëüíî ìíîãî; íåêîòîðûå èç íèõ ïåðå÷èñëåíû íà ñõåìå (ðèñ. 8.4). Ðàäèàëüíîå ïåðåìåùåíèå áàðèîííîãî âåùåñòâà â äèñêå ãàëàêòèêè, â ïåðâóþ î÷åðåäü ãàçà, âîçìîæíî, òîëüêî åñëè ñóùåñòâóåò ìåõàíèçì ïåðåðàñïðåäåëåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà.  ñâîþ î÷åðåäü, ýôôåêòèâíîå ïåðåðàñïðåäåëåíèå ìîìåíòà ãàçà è çâåçä ïðîèñõîäèò, åñëè â äèñêå íàðóøàåòñÿ îñåâàÿ ñèììåòðèÿ è îðáèòû çâåçä è ãàçîâûõ îáëàêîâ, ïðåäñòàâëÿâøèõ ñîáîé â îñåñèììåòðè÷íîì ïîòåíöèàëå ïëîñêèå îêðóæíîñòè ñ öåíòðîì â öåíòðå äèñêà ãàëàêòèêè, ñòàíîâÿòñÿ ñóùåñòâåííî íåêðóãîâûìè. Ìû óæå óïîìèíàëè, ÷òî åñëè õîëîäíûé çâåçäíî-ãàçîâûé äèñê îñòàâèòü â îäèíî÷åñòâå è ïîêîå, â íåì î÷åíü áûñòðî ðàçâèâàåòñÿ áàðîïîäîáíàÿ íåóñòîé÷èâîñòü, à ñôîðìèðîâàâøèéñÿ óñòîé÷èâûé íà âðå-
324
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
ìåíàõ äåñÿòêîâ îáîðîòîâ ãàëàêòèêè áàð ÿâëÿåòñÿ îòëè÷íûì ìåñòîì äëÿ îáìåíà ìîìåíòîì ìåæäó ãàçîì è çâåçäàìè. Âî âíóòðåííèõ îáëàñòÿõ ãàç òåðÿåò ìîìåíò è âäîëü áàðà ñòåêàåò â öåíòð ãàëàêòèêè. Âî âíåøíèõ îáëàñòÿõ ãàç ìîæåò ïðèîáðåòàòü ìîìåíò è óõîäèòü çà ïðåäåëû çâåçäíîãî äèñêà, ôîðìèðóÿ âíåøíèé äèñê èëè êîëüöî.  îáîèõ âàðèàíòàõ ãàç íàêàïëèâàåòñÿ íà îïðåäåëåííûõ ðàññòîÿíèÿõ îò öåíòðà, óïëîòíÿåòñÿ, â íåì èíèöèèðóåòñÿ çâåçäîîáðàçîâàíèå è ôîðìèðóåòñÿ íîâîå ìîëîäîå çâåçäíîå íàñåëåíèå. Íåîñåñèììåòðè÷íîå âîçìóùåíèå (áàð), âðàùàÿñü êàê öåëîå — êàê âîëíà — â äèôôåðåíöèàëüíî âðàùàþùåìñÿ ãàëàêòè÷åñêîì äèñêå, ïîðîæäàåò öåëóþ ñåðèþ ðåçîíàíñîâ, â êîòîðûõ èíêðåìåíò íåóñòîé÷èâîñòåé îñîáåííî âåëèê (à â òåîðèè — è âîâñå áåñêîíå÷åí). Òàê, íàïðèìåð, â öåíòðå ãàëàêòèêè ó áàðà ìîãóò ðàáîòàòü âåðòèêàëüíûå íåóñòîé÷èâîñòè, «âûãîíÿþùèå» ìîëîäûå çâåçäû èç ïëîñêîñòè äèñêà. Òàêèì ìåõàíèçìîì — ÷åðåç çâåçäîîáðàçîâàíèå â êîëüöå íà âíóòðåííåì ëèíäáëàäîâñêîì ðåçîíàíñå, à ïîòîì ÷åðåç ðàñêà÷êó ìîëîäûõ çâåçä âåðòèêàëüíîé íåóñòîé÷èâîñòüþ — áàð ìîæåò èç âåùåñòâà äèñêà íàðàùèâàòü áàëäæ — ñôåðîèäàëüíóþ çâåçäíóþ ïîäñèñòåìó ãàëàêòèêè. Íàáëþäåíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî çâåçäîîáðàçîâàíèå â îêîëîÿäåðíûõ êîëüöàõ ïðîòåêàåò î÷åíü ýôôåêòèâíî, è çà âðåìåíà â íåñêîëüêî (îò 3 äî 5) ìèëëèàðäîâ ëåò ìîæåò ñôîðìèðîâàòüñÿ íîâûé áàëäæ ñ ìàññîé äî ìèëëèàðäà ìàññ Ñîëíöà. Òàêèå âòîðè÷íûå áàëäæè, âîçíèêøèå èç âåùåñòâà äèñêà è îò÷àñòè óíàñëåäîâàâøèå äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè äèñêà, íàçûâàþò «ïñåâäîáàëäæàìè». Ïî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì, ÷óòü ëè íå áîëüøèíñòâî áàëäæåé â áëèæíåé Âñåëåííîé ÿâëÿþòñÿ ïî ïðîèñõîæäåíèþ ïñåâäîáàëäæàìè, â òîì ÷èñëå è áàëäæ íàøåé ãàëàêòèêè. Áàðû — ýòî íàèáîëåå ýôôåêòèâíûå «ïåðåðàñïðåäåëèòåëè» óãëîâîãî ìîìåíòà, îäíàêî ïðèìåðíî òàêîé æå ýôôåêò, êàê áàðû, íà êðóïíîìàñøòàáíîå äâèæåíèå ãàçà îêàçûâàþò è ñïèðàëüíûå âåòâè, è ñëàáûå «îâàëüíûå» èñêàæåíèÿ îñåñèììåòðè÷íîãî ïîòåíöèàëà. Ëþáûå òðåõîñíûå ñòðóêòóðû âîçìóùàþò êðóãîâîå âðàùåíèå, â ïåðâóþ î÷åðåäü ãàçà è â áîëåå ñëàáîé ñòåïåíè — çâåçä.  êîíå÷íîì èòîãå ýòî ïðèâîäèò ê ðàäèàëüíîìó ïåðåðàñïðåäåëåíèþ âåùåñòâà — ê åãî ìèãðàöèè — íà âðåìåííûõ ìàñøòàáàõ ìèëëèàðäîâ ëåò. Èíòåðåñíî, ÷òî òåìíûå ãàëî, êîòîðûå íà çàðå âíåãàëàêòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé (ò. å. ëåò 40 íàçàä) ñïåöèàëèñòû ïî çâåçäíîé äèíàìèêå ïðåäñòàâëÿëè ñåáå â âèäå ìàññèâíûõ øàðîâ, íåîáõîäèìûõ äëÿ ñòàáèëèçàöèè õîëîäíûõ çâåçäíî-ãàçîâûõ äèñêîâ, òåïåðü â ÷èñëåííûõ ìîäåëÿõ ýâîëþöèè ïðîñòðàíñòâåííîãî ðàñïðåäåëåíèÿ òåìíîé ìàòåðèè îáû÷íî ïîëó÷àþòñÿ çàìåòíî òðåõ-
8.3. Ìåõàíèçìû ýâîëþöèè ãàëàêòèê
325
îñíûìè. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî îíè íå ñòàáèëèçèðóþò âëîæåííûå â íèõ çâåçäíî-ãàçîâûå äèñêè, à, íàîáîðîò, ïðèâîäÿò ê ðàçâèòèþ â íèõ íåîñåñèììåòðè÷íûõ âîçìóùåíèé: ãîíÿò ïî äèñêàì ñïèðàëüíûå âåòâè, «ïîäêðó÷èâàþò» áàðû è ñîîòâåòñòâåííî ïåðåðàñïðåäåëÿþò ãàç ïî ðàäèóñó. Âòîðîé êëàññ «àãåíòîâ» âíóòðåííåé âåêîâîé ýâîëþöèè íå ïåðåðàñïðåäåëÿåò ìîìåíò, à âïðûñêèâàåò ýíåðãèþ â ãàçîâûé êîìïîíåíò ãàëàêòèêè. Èñòî÷íèêîì ýíåðãèè ìîãóò áûòü ìîëîäûå ìàññèâíûå çâåçäû: èõ çâåçäíûé âåòåð âíîñèò â ãàç êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ, à çàòåì ýòè çâåçäû âçðûâàþòñÿ êàê ñâåðõíîâûå è äîïîëíèòåëüíî íàãðåâàþò îêðóæàþùóþ ñðåäó èçëó÷åíèåì. Äðóãèì èñòî÷íèêîì ðàçãîíà è ðàçîãðåâà ãàçà ìîãóò áûòü äæåòû è «êîíóñû èîíèçàöèè» èç àêòèâíûõ ÿäåð ãàëàêòèê. Âñå ýòè «àãåíòû» ñïîñîáíû ðåãóëèðîâàòü èñòîðèþ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ãàëàêòèê: îíè ýôôåêòèâíî ðàçîãðåâàþò ãàç è òåì ñàìûì êàê ìèíèìóì ëîêàëüíî ïðåêðàùàþò çâåçäîîáðàçîâàíèå, à â ýïîõè îñîáî âûñîêîé èõ àêòèâíîñòè ðàçîãðåòûé ãàç âîîáùå ìîæåò ïîêèäàòü ãàëàêòèêó, ÷òî âûçûâàåò ãëîáàëüíóþ îñòàíîâêó ôîðìèðîâàíèÿ ìîëîäûõ çâåçä. Äåéñòâèå ýòèõ ìåõàíèçìîâ íîñèò öèêëè÷åñêèé õàðàêòåð ñ õàðàêòåðíûì âðåìåíåì ïîðÿäêà äåñÿòêîâ èëè ñîòåí ìèëëèîíîâ ëåò: ñíà÷àëà çâåçäîîáðàçîâàíèå ðàçâèâàåòñÿ è ïîðîæäàåò ìîëîäûå çâåçäû, êîòîðûå ÷åðåç íåêîòîðîå âðåìÿ ýòî æå çâåçäîîáðàçîâàíèå è îñòàíîâÿò. Ñî âñïûøêàìè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ñâÿçûâàþò è óñèëåííîå ïèòàíèå öåíòðàëüíûõ ÷åðíûõ äûð â ãàëàêòèêàõ, êîòîðîå ìû íàáëþäàåì êàê ïðîÿâëåíèå àêòèâíîñòè ÿäðà. Ïîýòîìó â àíãëèéñêîì ÿçûêå äëÿ îñòàíîâêè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ìîëîäûìè çâåçäàìè è àêòèâíûìè ÿäðàìè óïîòðåáëÿþò òåðìèí «feedback» — îáðàòíàÿ ñâÿçü. Ãàç, ðàçîãðåòûé ìîëîäûìè çâåçäàìè è óõîäÿùèé èç ãàëàêòèêè, ìîæåò çàñòðÿòü â ìàññèâíîì òåìíîì ãàëî, ñìåøàâøèñü òàì ñ ïåðâè÷íûì ãîðÿ÷èì ãàçîì; ïîñòåïåííî îí îñòûíåò è âåðíåòñÿ â äèñê ãàëàêòèêè, ÷òîáû ñíîâà ïðèíÿòü ó÷àñòèå â çâåçäîîáðàçîâàíèè. Õàðàêòåðíîå âðåìÿ òàêèõ öèêëîâ — ïîðÿäêà ìèëëèàðäà ëåò, ïîýòîìó ýòîò ýôôåêò òàêæå îòíîñÿò ê âåêîâîé ýâîëþöèè. 8.3.3. Âíåøíÿÿ âåêîâàÿ ýâîëþöèÿ Ýòî òîæå ìåäëåííûå ïðîöåññû, ñîïðîâîæäàþùèå ãàëàêòèêó â íåñïåøíîì ðèòìå åå æèçíè, îäíàêî îíè ïîðîæäåíû íå âíóòðåííèìè ñâîéñòâàìè ãàëàêòèêè, à åå îêðóæåíèåì, êîòîðîå, âîîáùå ãîâîðÿ, ó ðàçíûõ ãàëàêòèê ðàçíîå: áîëåå ïëîòíîå, ìåíåå ïëîòíîå èëè ñîâñåì ïóñòîâàòîå. Ïðåæäå âñåãî, òóò ðàáîòàþò ãðàâèòàöèîííûå ýôôåêòû, ñâÿçàííûå ñ âçàèìîäåéñòâèåì ãàëàêòèê. Ìîùíîñòè ñîâðåìåííûõ êîìïüþòåðîâ (ñóïåðêîìïüþòåðîâ!) óæå õâàòàåò, ÷òîáû èçó÷èòü ãëîáàëüíûå ïðî-
326
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
ÿâëåíèÿ ýòèõ ýôôåêòîâ, ÷åì è çàíèìàþòñÿ ñåé÷àñ âåñüìà èíòåíñèâíî òåîðåòèêè-«ìîäåëüåðû». Ðåçóëüòàòû òàêîâû. Åñëè â ïðîöåññå ìîäåëèðîâàíèÿ ìèìî äèñêîâîé ãàëàêòèêè ïðîøëà äðóãàÿ ãàëàêòèêà ñðàâíèìîé ìàññû, äà åùå íà íåáîëüøîì ðàññòîÿíèè â äåñÿòêè ïàðñåêîâ, äà åùå ñ íåáîëüøîé ñêîðîñòüþ — íå áîëåå ñîòíè-äðóãîé êèëîìåòðîâ â ñåêóíäó, — òî â äèñêå ìîäåëüíîé ãàëàêòèêè ðàçâèâàþòñÿ ïðèëèâíûå ýôôåêòû: âíåøíèå ÷àñòè äèñêà «òÿíóòñÿ» çà âîçìóòèòåëåì ñïîêîéñòâèÿ, îáðàçóÿ ïðè ñèëüíîì âçàèìîäåéñòâèè «õâîñòû», «ìîñòû» è ïðèëèâíûå ñïèðàëè, à â öåíòðå ïîòðåâîæåííîãî äèñêà ôîðìèðóåòñÿ áàð ñî âñåìè âûòåêàþùèìè îòñþäà ïîñëåäñòâèÿìè, îïèñàííûìè â ïðåäûäóùåì ðàçäåëå. Êðàñèâîå àìåðèêàíñêîå ñëîâî harassment (ïðèñòàâàíèå) óïîòðåáëÿþò ñåé÷àñ êàê ðàç äëÿ òàêèõ ïàðíûõ îòíîøåíèé ñëó÷àéíî èëè íåñëó÷àéíî ñáëèçèâøèõñÿ ãàëàêòèê. Êðàéíèé ñëó÷àé ïðèëèâíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ — ñëèÿíèå ãàëàêòèê, êîãäà «âîçìóòèòåëü ñïîêîéñòâèÿ» íå ñìîã óéòè îò òîé, êîòîðóþ îí ïîòðåâîæèë. Ñëèÿíèÿ ãàëàêòèê ïîäðàçäåëÿþò íà áîëüøèå (major) è ìàëûå (minor); óñëîâíàÿ ãðàíèöà ìåæäó áîëüøèìè è ìàëûìè ñëèÿíèÿìè ïðîõîäèò ïî ñîîòíîøåíèþ ìàññ 1 : 5. Áîëüøèå ñëèÿíèÿ ðàçðóøàþò çâåçäíûå äèñêè ñëèâàþùèõñÿ ãàëàêòèê; ýòî áóðíûå ñîáûòèÿ, óïîìÿíóòûå â âåðõíåì ïðàâîì óãëó íàøåé ñõåìû (ðèñ. 8.4). À ìàëûå ñëèÿíèÿ — êàê ïðàâèëî, ýòî ïàäåíèÿ ñïóòíèêîâ íà õîçÿéñêóþ ãàëàêòèêó — íå ðàçðóøàþò çâåçäíûé äèñê öåëèêîì, õîòÿ è «ãðåþò» åãî, óâåëè÷èâàÿ â íåì õàîòè÷åñêèå ñêîðîñòè çâåçä è ãàçà. Óïàâøèé ãäå-òî íà êðàþ äèñêà ñïóòíèê ïîä äåéñòâèåì äèíàìè÷åñêîãî òðåíèÿ «ñïèðàëèò» ê öåíòðó ñèñòåìû, òåðÿÿ ïî ïóòè (â îñíîâíîì ïîä äåéñòâèåì ïðèëèâíûõ ñèë) ñâîè âíåøíèå ÷àñòè. Ïðè ýòîì çâåçäíûé äèñê «õîçÿèíà» íå òîëüêî ïðèîáðåòàåò âåùåñòâî óïàâøåãî íà íåãî êàðëèêà, íî è óâåëè÷èâàåò äèñïåðñèþ ñêîðîñòåé (ò. å. õàîòè÷åñêîå äâèæåíèå) ñâîèõ ñîáñòâåííûõ çâåçä ïî îòíîøåíèþ ê ñêîðîñòè óïîðÿäî÷åííîãî âðàùåíèÿ äèñêà. Îò ýòîãî äèñê ñòàíîâèòñÿ òîëùå. Îòäåëüíîå ìàëîå ñëèÿíèå, åñëè ìàññà óïàâøåãî ñïóòíèêà áûëà ìåíüøå 10% ìàññû «õîçÿèíà», îñòàâëÿåò íå î÷åíü çàìåòíûå ñëåäû, íî ó ëþáîé áîëüøîé ãàëàêòèêè ñïóòíèê, êàê ïðàâèëî, íå îäèí, è îíè ïàäàþò â äèñê îäèí çà äðóãèì, ñêàæåì, ðàç â ìèëëèàðä ëåò. Ïîýòîìó â ñõåìå ãëîáàëüíîé ýâîëþöèè (ðèñ. 8.4) ìàëûé ìåðæèíã ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê ìåäëåííûé, âåêîâîé ïðîöåññ: ðå÷ü èäåò î ñåðèÿõ ìàëûõ ìåðæèíãîâ, êîòîðûå ïîñòîÿííî ãðåþò çâåçäíûé äèñê õîçÿéñêîé ãàëàêòèêè è ñíàáæàþò åãî âíåøíèì ìàòåðèàëîì, êàê çâåçäíûì, òàê è ãàçîâûì, íà ïðîòÿæåíèè ìèëëèàðäîâ ëåò.
8.3. Ìåõàíèçìû ýâîëþöèè ãàëàêòèê
327
Ñíàáæåíèå äèñêà ãàëàêòèêè âíåøíèì ãàçîì íà ïðîòÿæåíèè ìèëëèàðäîâ ëåò — ýòîò ïðîöåññ ÷àñòî íàçûâàþò «ïëàâíîé àêêðåöèåé» — âîîáùå îòäåëüíûé è î÷åíü âàæíûé âîïðîñ. Äåëî â òîì, ÷òî åñëè îöåíèòü, íàäîëãî ëè ñîáñòâåííûõ çàïàñîâ ãàçà ó áëèçêèõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê õâàòèò äëÿ òåêóùåãî â íèõ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, ò. å. ïîäåëèòü íûíåøíþþ ìàññó ãàçà â äèñêå íà òåìï çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, òî â ñðåäíåì ïîëó÷èòñÿ âñåãî 2–3 ìëðä ëåò. À âåäü âîçðàñò ñàìûõ ñòàðûõ çâåçä â äèñêå íàøåé Ãàëàêòèêè — îêîëî 9–10 ìëðä ëåò. Ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî ìû æèâåì â íåêèé âûäåëåííûé ìîìåíò âðåìåíè: ó íàñ íà ãëàçàõ çàêàí÷èâàþòñÿ çàïàñû ãàçà è çàâåðøàåòñÿ çâåçäîîáðàçîâàíèå â äèñêàõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê. Íî ýòî åùå ïîëäåëà. Åñëè ïîñìîòðåòü íà ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè âáëèçè êðàñíîãî ñìåùåíèÿ z = 1, òî è òàì ïîëó÷àåòñÿ òàêàÿ æå êàðòèíà: â òó ýïîõó çàïàñîâ ãàçà òîæå õâàòàëî íà 2–3 ìëðä ëåò òîãäàøíåãî çâåçäîîáðàçîâàíèÿ! Íàïðàøèâàåòñÿ âûâîä, ÷òî â äèñêè ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê íåïðåðûâíî äîáàâëÿåòñÿ ãàç èçâíå. Áîëåå òîãî, ñîçäàåòñÿ âïå÷àòëåíèå, ÷òî òåìï èñ÷åðïàíèÿ ãàçà íà ôîðìèðîâàíèå ìîëîäûõ çâåçä ïðèìåðíî ðàâåí òåìïó àêêðåöèè ãàçà èçâíå; ïî êðàéíåé ìåðå, ñðåäíåå êîëè÷åñòâî ãàçà â äèñêàõ ãàëàêòèê íå ìåíÿåòñÿ ñ êðàñíûì ñìåùåíèåì, òî åñòü íå ýâîëþöèîíèðóåò â ïîñëåäíèå 6–8 ìëðä ëåò. Äàëåå ìû óâèäèì, ÷òî è êàðòèíó õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê, â ÷àñòíîñòè è íàøåé ãàëàêòèêè, íåâîçìîæíî ïîñòðîèòü áåç ïðåäïîëîæåíèÿ î íåïðåðûâíîì ïðèòîêå â äèñê ãàëàêòèêè ãàçà, áåäíîãî òÿæåëûìè ýëåìåíòàìè. Âñå ãîâîðèò î òîì, ÷òî ïðîäîëæèòåëüíàÿ ïëàâíàÿ àêêðåöèÿ õîëîäíîãî ãàçà èçâíå — ýòî íåîáõîäèìîå óñëîâèå ýâîëþöèè ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê. Ïðîáëåìà â òîì, ÷òî äî ñèõ ïîð íå óäàåòñÿ óñòàíîâèòü èñòî÷íèê ýòîãî õîëîäíîãî ãàçà è óâèäåòü ïðîöåññ åãî àêêðåöèè «æèâüåì». Êîãäà êîñìîëîãè òîëüêî-òîëüêî ñôîðìóëèðîâàëè ñâîþ êîíöåïöèþ êîëëàïñà òåìíûõ ãàëî è âèðèàëèçàöèè áàðèîíîâ âíóòðè íèõ, îíè ñêàçàëè: «Òàê âîò æå èñòî÷íèê ïîñòîÿííîé àêêðåöèè ãàçà â äèñê!» Ïåðâè÷íûé, âèðèàëèçîâàííûé â ãàëî ãàç äîëæåí ïîòèõîíüêó èçëó÷àòü â ðåíòãåíîâñêîì äèàïàçîíå è îò ýòîãî îñòûâàòü, à îñòûâàÿ, îí äîëæåí îïóñêàòüñÿ íà äèñê ãàëàêòèêè. Èäåÿ õîðîøàÿ è êðàñèâàÿ, íî äî ñèõ ïîð íå óäàåòñÿ ïóòåì íàáëþäåíèé çàðåãèñòðèðîâàòü ðåíòãåíîâñêèå ãàçîâûå ãàëî âîêðóã ìàññèâíûõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê.  ñêîïëåíèÿõ ãàëàêòèê ðåíòãåíîâñêèé ãàç âèäåí; âî ìíîãèõ ãðóïïàõ ãàëàêòèê ðåíòãåíîâñêèé ãàç âèäåí; âîêðóã ñàìûõ ìàññèâíûõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê ðåíòãåíîâñêèå ãàëî âèäíû… à âîêðóã òàêèõ æå ìàññèâíûõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê ðåíòãåíîâñêèõ ãàëî íåò. Ïðàâäà, çà ïîñëåä-
328
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
íèé ãîä ñ ïîìîùüþ î÷åíü ÷óâñòâèòåëüíûõ, î÷åíü ãëóáîêèõ ðåíòãåíîâñêèõ íàáëþäåíèé óäàëîñü óâèäåòü èçëó÷åíèå ãîðÿ÷åãî ãàçà âîêðóã äâóõ èëè òðåõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê, íî ìîùíîñòü ýòîãî èçëó÷åíèÿ ñîñòàâëÿåò ëèøü íåìíîãèå ïðîöåíòû îò òîãî, ÷òî ïðåäñêàçûâàëè êîñìîëîãè÷åñêèå òåîðèè è ÷òî íóæíî èìåòü, ÷òîáû âíåøíåé àêêðåöèåé îáåñïå÷èòü çâåçäîîáðàçîâàíèå â äèñêàõ ýòèõ ãàëàêòèê. Òàêèì îáðàçîì, àêêðåöèÿ âíåøíåãî ãàçà î÷åíü íóæíà: êàê àãåíò âíåøíåé âåêîâîé ýâîëþöèè îíà ñîâåðøåííî íåîáõîäèìà. Íî ïîêà èñòî÷íèê ãàçà íå íàéäåí, òðóäíî îöåíèòü ìåñòî àêêðåöèè, åå âëèÿíèå, åå ìàñøòàáû è çàâèñèìîñòü îò îêðóæåíèÿ ãàëàêòèêè. Ïîêà ýòî îáëàñòü äîãàäîê. 8.3.4. Âíåøíÿÿ áûñòðàÿ (áóðíàÿ) ýâîëþöèÿ Âîîáùå ñëèÿíèÿ ãàëàêòèê êàê åäèíè÷íûå ñîáûòèÿ — ïðîöåññ áûñòðûé, îí çàâåðøàåòñÿ ïîëíîñòüþ ïðèìåðíî çà 1 ìëðä ëåò. Ñëèÿíèÿ äâóõ ãàëàêòèê ñðàâíèìûõ ìàññ — ýòî áóðíûé ïðîöåññ, ïîëíîñòüþ ïåðåêðàèâàþùèé ñòðóêòóðó îáåèõ ãàëàêòèê. Ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî ñëèÿíèå äâóõ òèïè÷íûõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê ñ õîëîäíûìè äèñêàìè, â êîòîðûõ äîìèíèðóåò óïîðÿäî÷åííîå âðàùåíèå, ïðèâîäèò â èòîãå ê ôîðìèðîâàíèþ îäíîãî çâåçäíîãî ñôåðîèäà, â êîòîðîì óïîðÿäî÷åííîãî âðàùåíèÿ ïî÷òè íåò, à âñÿ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ çâåçä çàêëþ÷åíà â èõ õàîòè÷åñêîì äâèæåíèè. Ðàäèàëüíûé ïðîôèëü ïîâåðõíîñòíîé ÿðêîñòè â òàêèõ ñìîäåëèðîâàííûõ ïðîäóêòàõ áîëüøîãî ìåðæèíãà î÷åíü ïîõîæ íà äå-âîêóë¸ðîâñêèé, òàê ÷òî â ñëèÿíèè äâóõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê äåéñòâèòåëüíî ðîæäàåòñÿ òèïè÷íàÿ ýëëèïòè÷åñêàÿ ãàëàêòèêà. Ïðè ýòîì çâåçäíàÿ ñèñòåìà èñïûòûâàåò áóðíóþ ðåëàêñàöèþ, òàê ÷òî çâåçäû ïîëíîñòüþ ïåðåìåøèâàþòñÿ ïî îáúåìó, è åñëè â èñõîäíûõ ãàëàêòèêàõ è ñóùåñòâîâàëè êàêèå-òî ðàäèàëüíûå ãðàäèåíòû, íàïðèìåð ãðàäèåíò ìåòàëëè÷íîñòè çâåçäíûõ íàñåëåíèé, òî â ôèíàëüíîì ïðîäóêòå ìåðæèíãà îíè çàìûâàþòñÿ. Ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî ýëëèïòè÷åñêóþ ãàëàêòèêó ñ ãðàäèåíòîì ìåòàëëè÷íîñòè êðó÷å, ÷åì 0,3 dex per dex (óáûâàíèå â äâà ðàçà íà ïðîòÿæåíèè óâåëè÷åíèÿ ðàññòîÿíèÿ îò öåíòðà íà ïîðÿäîê), íåâîçìîæíî ïîñòðîèòü â ìîäåëè áîëüøîãî ìåðæèíãà. Åñëè â ñëèâàþùèõñÿ ãàëàêòèêàõ áûë ãàç — à â òèïè÷íûõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèêàõ ïðèìåðíî 5% ìàññû äèñêà ñîäåðæèòñÿ â õîëîäíîì ãàçå, — òî â ïðîöåññå áîëüøîãî ñëèÿíèÿ îñíîâíîé ãàç, â ñóììå íåñêîëüêî ìèëëèàðäîâ ñîëíå÷íûõ ìàññ, ñêàïëèâàåòñÿ â ñàìîì öåíòðå ôèíàëüíîãî ïðîäóêòà, âíóòðè ðàäèóñà ìåíüøå 1 êïê. Ïîýòîìó òàì îæèäàåòñÿ ìîùíàÿ êîðîòêàÿ âñïûøêà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, äëèòåëüíî-
8.3. Ìåõàíèçìû ýâîëþöèè ãàëàêòèê
329
ñòüþ îêîëî 100 ìëí ëåò, ïîñëå êîòîðîé îñòàåòñÿ ïëîòíîå çâåçäíîå ÿäðî, à èíîãäà, åñëè âçàèìíûå îðèåíòàöèè ìîìåíòîâ èìïóëüñà èçíà÷àëüíî áûëè áëàãîïðèÿòíû, ôîðìèðóåòñÿ êîìïàêòíûé õîëîäíûé äèñê. Îáðàòíûé ýôôåêò îò ýòîé âñïûøêè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ äîáàâëÿåò ýíåðãèè â îñòàâøèéñÿ ãàçîâûé êîìïîíåíò, è îñòàòêè ãàçà âûìåòàþòñÿ èç ïîëó÷èâøåéñÿ ñôåðîèäàëüíîé ãàëàêòèêè íà ïåðèôåðèþ åå òåìíîãî ãàëî (âîò îíè, ðåíòãåíîâñêèå ãàëî ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê!)  èòîãå ïîëó÷àåòñÿ ñôåðîèäàëüíàÿ ìåäëåííî âðàùàþùàÿñÿ çâåçäíàÿ ñèñòåìà áåç ãàçà, íî, âîçìîæíî, ñ îòíîñèòåëüíî ìîëîäûì ÿäðîì. Òàêèì îáðàçîì, ïðè äèññèïàòèâíîì ìåðæèíãå ïî âîçðàñòó çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ â öåíòðå ýëëèïòè÷åñêîé ãàëàêòèêè ìîæíî äàòèðîâàòü ìîìåíò ñëèÿíèÿ. Äðóãîé áûñòðûé ïðîöåññ, ñâÿçàííûé ñ ïîïàäàíèåì ãàëàêòèêè â ïëîòíîå îêðóæåíèå, — óäàëåíèå õîëîäíîãî ãàçà èç åå äèñêà ïîä äåéñòâèåì íàïîðà ãîðÿ÷åé ìåæãàëàêòè÷åñêîé ñðåäû: ãèäðîäèíàìè÷åñêèå ìåõàíèçìû äåéñòâóþò íà âðåìåííû2õ ìàñøòàáàõ âñåãî äåñÿòêè ìèëëèîíîâ ëåò.  ñêîïëåíèÿõ ãàëàêòèê, ìàññû êîòîðûõ äîñòèãàþò (1014–1015) MA, áî2ëüøàÿ ÷àñòü áàðèîíîâ íàõîäèòñÿ íå â ñàìèõ ãàëàêòèêàõ, à â ãîðÿ÷åì ãàçå ìåæäó íèìè. Ôàêòè÷åñêè ýòî íå ïðîñòî ãàç, à ïîëíîñòüþ èîíèçîâàííàÿ ïëàçìà — èñòî÷íèê ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ. ×àñòèöû ìåæãàëàêòè÷åñêîé ñðåäû — ýëåêòðîíû, ïðîòîíû, ÿäðà àòîìîâ — äâèæóòñÿ ñ òåìè æå âèðèàëüíûìè ñêîðîñòÿìè, ÷òî è ñàìè ãàëàêòèêè (~103 êì/ñ), à çíà÷èò, èìåþò òåìïåðàòóðó â äåñÿòêè è ñîòíè ìèëëèîíîâ êåëüâèíîâ. Îñîáåííî âûñîêè òåìïåðàòóðà è ïëîòíîñòü ìåæãàëàêòè÷åñêîé ñðåäû â öåíòðàëüíîé ÷àñòè ñêîïëåíèÿ. Åñëè â ýòîò «ãîðÿ÷èé áàññåéí» ñ ïåðèôåðèè ñêîïëåíèÿ âëåòàåò ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà, èìåþùàÿ ñîáñòâåííûé õîëîäíûé ãàç â äèñêå, òî ãîðÿ÷èé ìåæãàëàêòè÷åñêèé ãàç íà÷èíàåò âçàèìîäåéñòâîâàòü ñ õîëîäíûì ãàçîì äèñêà ãàëàêòèêè. Ýòî àñòðîôèçèêè (â ÷èñëå ïåðâûõ áûëè Äæåéìñ Ãàíí è Ðè÷àðä Ãîòò) ïîíÿëè ñðàçó, êàê òîëüêî ðåíòãåíîâñêèå îáçîðû îáíàðóæèëè ãîðÿ÷èé ãàç â ñêîïëåíèÿõ, ò. å. â íà÷àëå 1970-õ ãã. Ñ òåõ ïîð ýòè èäåè òîëüêî ðàçâèâàþòñÿ è ïðîñ÷èòûâàþòñÿ; ïîÿâèëèñü è íåìíîãî÷èñëåííûå ïîêà ïðÿìûå íàáëþäàòåëüíûå ïîäòâåðæäåíèÿ òàêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ. Ãîðÿ÷èé ãàç ìîæåò îáæèìàòü è èñïàðÿòü õîëîäíûé ãàç â äèñêå íåïîäâèæíîé ãàëàêòèêè — ýòî ñòàòè÷åñêèé ýôôåêò. À åñëè ãàëàêòèêà äâèæåòñÿ ñêâîçü ãîðÿ÷èé ãàç, îí áóäåò ñäóâàòü åå ãàçîâûé äèñê ëîáîâûì äàâëåíèåì (P): ýòîò äèíàìè÷åñêèé ýôôåêò ïî-àíãëèéñêè íàçûâàåòñÿ ram pressure; åãî ýôôåêòèâíîñòü çàâèñèò íå òîëüêî îò ïëîòíîñòè ìåæãàëàêòè÷åñêîé ñðåäû (r), íî è îò ñêîðîñòè äâèæåíèÿ ãàëàêòèêè ñêâîçü
330
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
íåå (v), ïðè÷åì åñëè îò ïëîòíîñòè çàâèñèìîñòü ëèíåéíàÿ, òî îò ñêîðîñòè — êâàäðàòè÷íàÿ: P = rv2. Íàáëþäàòåëüíûìè ïîäòâåðæäåíèÿìè âëèÿíèÿ ãîðÿ÷åãî ìåæãàëàêòè÷åñêîãî ãàçà íà ãàçîâûå äèñêè ãàëàêòèê â ïåðâóþ î÷åðåäü ñ÷èòàåòñÿ â ñðåäíåì ìåíüøåå ñîäåðæàíèå íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà â ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèêàõ ñêîïëåíèé ïî ñðàâíåíèþ ñ òàêèìè æå ïî ìàññå è òèïó ñïèðàëüíûìè ãàëàêòèêàìè ïîëÿ. Êðîìå ýòîãî, ïîëó÷åíî íåñêîëüêî âïå÷àòëÿþùèõ êàðò ðàäèîèçëó÷åíèÿ ãàëàêòèê â ñêîïëåíèè Virgo, ÿâíî íàìåêàþùèõ íà äåéñòâèå äèíàìè÷åñêîãî íàïîðà ìåæãàëàêòè÷åñêîãî ãàçà. Íà îäíîé èç òàêèõ êàðò (ðèñ. 8.5) ìû âèäèì ïðàêòè÷åñêè «ñ ðåáðà» ãàëàêòèêó NGC 4402 òèïà Sc, êîòîðàÿ, ñóäÿ ïî âíåøíèì ïðèçíàêàì, èñïûòûâàåò ëîáîâîå äàâëåíèå íàáåãàþùåãî íà íåå ãîðÿ÷åãî ìåæãàëàêòè÷åñêîãî ãàçà, ñêâîçü êîòîðûé îíà ëåòèò. Ðàñïðåäåëåíèå ðàäèîèçëó÷åíèÿ íà ýòèõ êàðòàõ ïîêàçàíî â âèäå ýêâèäåíñèò — ëèíèé, ñîåäèíÿþùèõ òî÷êè ñ îäèíàêîâîé ïîâåðõíîñòíîé ÿðêîñòüþ. Ãàçîâûé ñëîé â äèñêå ãàëàêòèêè (HI), à òàêæå ñâÿçàííàÿ ñ íèì ïûëü (âèäíà êàê ïîëîñà ïîâûøåííîãî ïîêàçàòåëÿ öâåòà B—R íà íèæíåé êàðòèíêå), çàìåòíî èñêðèâëåíû. Êðàÿ äèñêà «ñäóòû» ñèëüíåå, ïîñêîëüêó â íèõ íèæå ïîâåðõíîñòíàÿ (â ïðîåêöèè íà äèñê) ïëîòíîñòü ãàçà. Òàêæå íåñèììåòðè÷íûì âûãëÿäèò è ðàñïðåäåëåíèå ïîâåðõíîñòíîé ÿðêîñòè ñèíõðîòðîííîãî ðàäèîêîíòèíóóìà, âåðîÿòíî ñâÿçàííîãî ñ ìàãíèòíûì ïîëåì äèñêà ãàëàêòèêè. Ìíîæåñòâî äåòàëåé (ðèñ. 4 öâåòíîé âêëàäêè) óêàçûâàåò íà ïîòîê ìåæãàëàêòè÷åñêîãî ãàçà, íàáåãàþùèé íà ýòó ãàëàêòèêó ñ þãî-âîñòîêà (íà ðèñóíêàõ — ñíèçó ââåðõ è âïðàâî). Ïðèìåð ãàëàêòèêè NGC 4402 âîâñå íå óíèêàëåí.  òîì æå ñêîïëåíèè Virgo ñðåäè äèñêîâûõ ãàëàêòèê, îðèåíòèðîâàííûõ ê íàì ðåáðîì, ëåãêî íàéòè è äðóãèå ïîäîáíûå ïðèìåðû. Íà ðèñ. 8.6 ïîêàçàíà ãàëàêòèêà NGC 4522 òèïà Scd, âíåøíèå ïðèçíàêè êîòîðîé òàêæå óêàçûâàþò íà ñèëüíîå ëîáîâîå äàâëåíèå íàáåãàþùåãî íà íåå ãîðÿ÷åãî ìåæãàëàêòè÷åñêîãî ãàçà. Ãàçîâûé ñëîé â äèñêå ãàëàêòèêè (HI) çàìåòíî èñêðèâëåí. Íåñèììåòðè÷íûì âûãëÿäèò è ðàñïðåäåëåíèå ïîâåðõíîñòíîé ÿðêîñòè ýìèññèîííîé ëèíèè Há, óêàçûâàþùåé îáëàñòè òåêóùåãî çâåçäîîáðàçîâàíèÿ: ìîëîäûå çâåçäû ôîðìèðóþòñÿ âíå îñíîâíîãî äèñêà ãàëàêòèêè, â ãàçå, «ñäóòîì» ëîáîâûì äàâëåíèåì ìåæãàëàêòè÷åñêîé ñðåäû. Ïî-âèäèìîìó, òàêèå ãàëàêòèêè âïåðâûå ïðîëåòàþò ÷åðåç öåíòðàëüíóþ îáëàñòü ñêîïëåíèÿ: êðàÿ èõ ãàçîâûõ äèñêîâ çàãèáàþòñÿ â ñòîðîíó, ïðîòèâîïîëîæíóþ ïðåäïîëàãàåìîìó íàïðàâëåíèþ äâèæåíèÿ ãàëàêòèêè, ÿâíî ïîä äåéñòâèåì ëîáîâîãî äàâëåíèÿ ìåæãàëàêòè÷åñêîé ñðåäû. Ïðè ýòîì â öåíòðàëüíîé ÷àñòè ãàçîâîãî äèñêà ãàëàêòèêè
8.3. Ìåõàíèçìû ýâîëþöèè ãàëàêòèê
331
Ðèñ. 8.5. Ãàëàêòèêà NGC 4402, íàáëþäàåìàÿ íåäàëåêî îò öåíòðà ñêîïëåíèÿ Virgo: a — ýêâèäåíñèòû èçëó÷åíèÿ â ðàäèîêîíòèíóóìå 1,4 ÃÃö íàëîæåíû íà îïòè÷åñêîå èçîáðàæåíèå (íåãàòèâ) â ëèíèè Ha; ñòðåëêîé óêàçàíà îáëàñòü HII, ðàñïîëîæåííàÿ âûñîêî íàä ïëîñêîñòüþ ãàëàêòèêè: b — ýêâèäåíñèòû èçëó÷åíèÿ íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà (HI) íàëîæåíû íà îïòè÷åñêîå èçîáðàæåíèå â ãîëóáîì öâåòå (íåãàòèâ B–R). Èç ðàáîòû: Crowl et al. // Astron. J. 2005. Vol. 130. P. 65–72.
óñèëèâàåòñÿ çâåçäîîáðàçîâàíèå; ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî ëîáîâîå äàâëåíèå ãîðÿ÷åé ñðåäû, óäàëÿÿ ãàç èç âíåøíåé ïîëîâèíû ãàçîâîãî äèñêà, íå ìîæåò óäàëèòü öåíòðàëüíóþ ÷àñòü ãàçîâîãî äèñêà, à òîëüêî ñæèìàåò åå.  ðåçóëüòàòå çâåçäîîáðàçîâàíèå â öåíòðàõ òàêèõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê ìîæåò êðàòêîâðåìåííî óñèëèòüñÿ â íåñêîëüêî ðàç, ÷òî
332
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
Ðèñ. 8.6. Ãàëàêòèêà NGC 4522, íàáëþäàåìàÿ íåäàëåêî îò öåíòðà ñêîïëåíèÿ Virgo. Ñëåâà: ýêâèäåíñèòû èçëó÷åíèÿ íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà (HI) íàëîæåíû íà îïòè÷åñêîå íåãàòèâíîå èçîáðàæåíèå â êðàñíûõ ëó÷àõ (ôèëüòð R). Ñïðàâà: ýêâèäåíñèòû èçëó÷åíèÿ íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà (HI) íàëîæåíû íà îïòè÷åñêîå íåãàòèâíîå èçîáðàæåíèå â ëèíèè Há. Èç ðàáîòû: Roediger E. // Astron. Nachr. 2009. Vol. 330. P. 888–898.
ÿâíî âèäíî ó ãàëàêòèêè NGC 4402 ïî èçáûòî÷íîìó êîëè÷åñòâó ìîëîäûõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé ó þæíîãî è þãî-âîñòî÷íîãî êðàåâ äèñêà, à òàêæå ó NGC 4522 âî âñåé âíóòðåííåé îáëàñòè äèñêà. Âñïûøêà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â öåíòðàëüíîé îáëàñòè äèñêîâîé ãàëàêòèêè â äàëüíåéøåì ìîæåò âûçâàòü íàðàùèâàíèå áàëäæà, ÷òî ïðèâåäåò ê èçìåíåíèþ âíåøíåãî âèäà ãàëàêòèêè â ñòîðîíó áîëåå ðàííèõ ìîðôîëîãè÷åñêèõ òèïîâ. 8.3.5. Ìèêðîýâîëþöèÿ: çâåçäîîáðàçîâàíèå Çâåçäû îáðàçóþòñÿ èç ãàçà — ïóòåì ñæàòèÿ è ôðàãìåíòàöèè ãàçîâîãî îáëàêà ïîä äåéñòâèåì ñàìîãðàâèòàöèè, êàê ó÷èë íàñ âåëèêèé Äæåéìñ Äæèíñ. Ïîýòîìó ëîãè÷íî áûëî áû îæèäàòü çàâèñèìîñòè òåìïà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ îò êîëè÷åñòâà ãàçà: ÷åì áîëüøå ãàçà — òåì áîëüøå äîëæíî ðîæäàòüñÿ ìîëîäûõ çâåçä. Ðóêîâîäñòâóÿñü ýòîé èäååé, Ìàðòåí Øìèäò â 1959 ã. ïîäñ÷èòàë êîëè÷åñòâî ìàññèâíûõ, à çíà÷èò, çàâåäîìî ìîëîäûõ OB-çâåçä â òåõ áëèçêèõ ê Ñîëíöó îáëàñòÿõ Ãàëàêòèêè, ãäå áûëà èçìåðåíà ïëîòíîñòü ìåæçâåçäíîãî íåéòðàëüíîãî (àòîìàðíîãî) âîäîðîäà, è ñðàâíèë ýòè äâå õàðàêòåðèñòèêè — îáúåìíóþ ïëîòíîñòü ìåæçâåçäíîãî âîäîðîäà rHI è òåìï çâåçäîîáðàçîâàíèÿ SFR (star formation rate), ò. å. ñóììàðíóþ ìàññó ìîëîäûõ çâåçä, ðîäèâøèõñÿ â åäèíèöå îáúåìà ïðîñòðàíñòâà çà åäèíèöó âðåìåíè. Øìèäò îáíàðóæèë
8.3. Ìåõàíèçìû ýâîëþöèè ãàëàêòèê
333
òåñíóþ ñâÿçü ìåæäó ýòèìè õàðàêòåðèñòèêàìè, âûðàæåííóþ êâàäðàòè÷íîé çàâèñèìîñòüþ: SFR µ r 2HI .  äàëüíåéøåì çàâèñèìîñòü òåìïà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ îò êîëè÷åñòâà ãàçà ïðîâåðÿëè óæå íà äðóãèõ ãàëàêòèêàõ.  îòëè÷èå îò èññëåäîâàíèÿ íàøåé ãàëàêòèêè, â êîòîðîé âñåãäà îñòàåòñÿ áîëüøàÿ íåîïðåäåëåííîñòü ñ ðàññòîÿíèÿìè (ñëåäîâàòåëüíî, è ñ êîíñòàòàöèåé ôèçè÷åñêîé ñâÿçè ìåæäó ìîëîäûìè çâåçäàìè è êîíêðåòíûì ãàçîâûì îáëàêîì), â äðóãèõ ãàëàêòèêàõ ëîêàëèçàöèÿ îáëàñòåé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â îáëàñòÿõ ïîâûøåííîé ïëîòíîñòè ãàçà íå âûçûâàåò ñîìíåíèé. Êëàññè÷åñêèì èññëåäîâàíèåì íà ýòó òåìó ñòàëà ñåðèÿ ðàáîò Ðîáåðòà Êåííèêàòà ñ ñîàâòîðàìè. Îíè îïðåäåëÿëè ëîêàëüíóþ èíòåíñèâíîñòü çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ äèñêîâ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê ïî ïîòîêó èçëó÷åíèÿ â ýìèññèîííîé ëèíèè âîäîðîäà Ha, âîçáóæäàåìîé, êàê èçâåñòíî, çâåçäàìè ìàññèâíåå 10 MA (òî åñòü àáñîëþòíî ìîëîäûìè), è ñðàâíèâàëè åå ñ ïîâåðõíîñòíîé ïëîòíîñòüþ âîäîðîäà (s) â ïðîåêöèè íà êàðòèííóþ ïëîñêîñòü («ïëîñêîñòü» íåáà). Çàâèñèìîñòü áûëà îáíàðóæåíà, ïðè÷åì îñîáåííî ÿâíàÿ â òîì ñëó÷àå, åñëè áðàòü ñóììàðíóþ ïëîòíîñòü àòîìàðíîãî è ìîëåêóëÿðíîãî âîäîðîäà. Íî ïîêàçàòåëü ñòåïåíè ó ýòîé çàâèñèìîñòè îêàçàëñÿ ïîìåíüøå, ÷åì â ðàáîòå Øìèäòà: SFR µ s1,4 . Ïîñëåäíþþ ôîðìóëó ñòàëè íàçûâàòü çàêîHI +H 2 íîì Êåííèêàòà—Øìèäòà, õîòÿ ó îäíîãî èç íèõ â ôîðìóëå ôèãóðèðóåò îáúåìíàÿ ïëîòíîñòü ãàçà, à ó äðóãîãî — ïîâåðõíîñòíàÿ, è ïîêàçàòåëè ñòåïåíè ó íèõ ðàçíûå… Çàêîí Êåííèêàòà—Øìèäòà — ýòî ÷èñòî ýìïèðè÷åñêàÿ çàâèñèìîñòü. Ïîïûòêè îñìûñëèòü åå ñ òî÷êè çðåíèÿ ôèçèêè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ïîäâåëè èññëåäîâàòåëåé ê òîìó, ÷òîáû âñå-òàêè ðàçäåëèòü ïëîòíîñòè ìîëåêóëÿðíîãî è íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà: âåäü â íàøåé ãàëàêòèêå ìû íåïîñðåäñòâåííî íàáëþäàåì, êàê çâåçäû ôîðìèðóþòñÿ âíóòðè ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ, ïîýòîìó ñâÿçü òåìïà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ñ ïëîòíîñòüþ ìîëåêóëÿðíîãî âîäîðîäà, ïî ëîãèêå âåùåé, äîëæíà áûòü áîëåå òåñíîé. Äðóãîå äåëî, ÷òî ôàêòîðû, ïðåâðàùàþùèå àòîìàðíûé âîäîðîä â ìîëåêóëÿðíûé, åùå íå äî êîíöà ïîíÿòû: ñâÿçü ìåæäó ëîêàëüíîé ïëîòíîñòüþ àòîìàðíîãî è ìîëåêóëÿðíîãî âîäîðîäà ìîæåò çàâèñåòü îò ñâîéñòâ ãàëàêòèêè è äàæå îò åå îêðóæåíèÿ. Ñîâðåìåííûå ðàáîòû, â êîòîðûõ èññëåäóåòñÿ ñâÿçü ìåæäó îòäåëüíî àòîìàðíûì è îòäåëüíî ìîëåêóëÿðíûì ãàçîì è çâåçäîîáðàçîâàíèåì, ïîêàçûâàþò, ÷òî, êàê è îæèäàëîñü, êîððåëÿöèÿ òåìïà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ñ ïëîòíîñòüþ ìîëåêóëÿðíîãî ãàçà âûøå, ÷åì àòîìàðíîãî, íî ñòåïåíü ýòîé çàâèñèìîñòè íå òàê âûñîêà, êàê ñ÷èòàëîñü ðàíåå: òåìï çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ïðîïîðöèîíàëåí ïåðâîé ñòåïåíè ïëîòíîñòè ìîëåêóëÿðíîãî ãàçà: SFR µ r H 2 .
334
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
Î÷åâèäíî, ïîêàçàòåëü ñòåïåíè «1» ïðåâðàùàåòñÿ â «1,4» ïðè ïåðåõîäå îò ïëîòíîñòè ìîëåêóëÿðíîãî ãàçà ê ñóììàðíîé ïëîòíîñòè ìîëåêóëÿðíîãî è àòîìàðíîãî ãàçà ïîòîìó, ÷òî ãäå-òî â ýòîé çàâèñèìîñòè åùå çàìåøàíà ôèçèêà ïðåâðàùåíèÿ àòîìàðíîãî ãàçà â ìîëåêóëÿðíûé, êîòîðàÿ ìîæåò áûòü ñâÿçàíà ñ äîïîëíèòåëüíîé ñòèìóëÿöèåé ïðîöåññà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Íàïðèìåð, óäàðíûå âîëíû, âîçáóæäåííûå ïåðâûìè èç ðîäèâøèõñÿ çâåçä, ñòèìóëèðóþò ïåðåõîä àòîìàðíîãî ãàçà â ìîëåêóëÿðíûé, à òîãî — â çâåçäû. Äîïîëíèòåëüíûì óñëîâèåì ïðîÿâëåíèÿ çàâèñèìîñòè Êåííèêàòà—Øìèäòà ÿâëÿåòñÿ íàëè÷èå òàê íàçûâàåìîãî ïîðîãà ïëîòíîñòè ãàçà, íèæå êîòîðîãî çâåçäîîáðàçîâàíèå âîîáùå íå èäåò, äàæå åñëè ãàç åñòü. Ýòîò ïîðîã — îêîëî 7 MA íà êâàäðàòíûé ïàðñåê — îáíàðóæèë Êåííèêàò, êîòîðûé îïðåäåëÿë èíòåíñèâíîñòü çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ïî ïîòîêó â ýìèññèîííîé ëèíèè Ha, êîòîðàÿ, êàê áûëî ñêàçàíî, âîçáóæäàåòñÿ ëèøü ñàìûìè ìàññèâíûìè çâåçäàìè (M > 10 MA). Îäíàêî ïîñëå ðàáîòû Êåííèêàòà êîñìè÷åñêèé òåëåñêîï GALEX ïðîâåë îáçîð ãàëàêòèê â óëüòðàôèîëåòîâûõ ëó÷àõ, ÷òî ïîçâîëèëî èçìåðèòü èíòåíñèâíîñòü çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ðàçëè÷íûõ ÷àñòÿõ ýòèõ ãàëàêòèê (â ÓÔ-èçëó÷åíèå äàþò âêëàä äàæå çâåçäû ìàññîé îò 4 äî 10 MA). Âûÿñíèëîñü, ÷òî çâåçäîîáðàçîâàíèå èäåò â ñàìûõ íåîæèäàííûõ ìåñòàõ — íàïðèìåð, íà äàëüíèõ îêðàèíàõ ãàëàêòè÷åñêèõ äèñêîâ, ãäå âîâñå íåò (íå îáíàðóæåíî) ìîëåêóëÿðíîãî ãàçà, à âèäåí òîëüêî íåéòðàëüíûé âîäîðîä ñ ïëîòíîñòüþ íèæå ïîðîãà Êåííèêàòà. Òîò æå ñàìûé «óõîä» ïîä ïîðîã Êåííèêàòà áûë îáíàðóæåí è â íåäàâíåì îáçîðå çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â êàðëèêîâûõ íåïðàâèëüíûõ ãàëàêòèêàõ. Âîïðîñ: íå ÿâëÿåòñÿ ëè ìîäà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ãàçå íèçêîé ïëîòíîñòè ñóùåñòâåííî îòëè÷íîé ïî ôèçèêå îò ìîäû çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ïëîòíîì ãàçå? Îòâåòà ïîêà íåò. Íå âïîëíå ÿñíî è òî, ìîãóò ëè âíåøíèå ôàêòîðû ñòèìóëèðîâàòü çâåçäîîáðàçîâàíèå. Ñ îäíîé ñòîðîíû, ãðàâèòàöèîííîå èëè ãèäðîäèíàìè÷åñêîå âçàèìîäåéñòâèå äîëæíî ñæèìàòü ãàç è òàêèì îáðàçîì ïðîâîöèðîâàòü óñèëåíèå çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ãðàâèòàöèîííûå ýôôåêòû äèíàìè÷åñêè ãðåþò ãàç, à ãèäðîäèíàìè÷åñêîå äàâëåíèå ìîæåò âîîáùå óäàëèòü ïëîòíûé è õîëîäíûé ãàç èç äèñêà ãàëàêòèêè; òàê ÷òî çâåçäîîáðàçîâàíèå, åñëè îíî øëî, ìîæåò äàæå ïðåêðàòèòüñÿ ïîä âíåøíèì âîçäåéñòâèåì. Ñòàòèñòèêà íàáëþäàòåëüíûõ äàííûõ òàê æå íåîäíîçíà÷íà, êàê è òåîðåòè÷åñêèå àðãóìåíòû. Åäèíñòâåííîå, ÷òî íàäåæíî óñòàíîâëåíî: â î÷åíü ïëîòíîì îêðóæåíèè, íàïðèìåð â öåíòðàõ ñêîïëåíèé ãàëàêòèê, çâåçäîîáðàçîâàíèå äåéñòâèòåëüíî ïîäàâëåíî. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ìíî-
8.3. Ìåõàíèçìû ýâîëþöèè ãàëàêòèê
335
ãî÷èñëåííûå ïîïûòêè çàìåòèòü óñèëåíèå çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, íàïðèìåð â ïàðàõ ãàëàêòèê ñõîäíûõ ìàññ, ãäå ãðàâèòàöèîííûå ïðèëèâû ñóùåñòâåííû, ïðèâîäÿò ê ñëàáîïîëîæèòåëüíîìó ðåçóëüòàòó òîëüêî äëÿ î÷åíü òåñíûõ ïàð, ãäå ðàññòîÿíèå ìåæäó ãàëàêòèêàìè (â ïðîåêöèè) ìåíüøå 30 êïê. Ýòî äîâîëüíî ñòðàííî: ìû æå çíàåì, ÷òî ãðàâèòàöèÿ — äàëüíîäåéñòâóþùàÿ ñèëà… 8.3.6. Ìèêðîýâîëþöèÿ: èçìåíåíèå õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà  íàñëåäñòâî îò Áîëüøîãî âçðûâà íàì äîñòàëèñü òîëüêî ñàìûå ëåãêèå õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû: âîäîðîä (75% ïî ìàññå), ãåëèé (îêîëî 25%) è ñîâñåì ÷óòü-÷óòü äåéòåðèÿ, ëèòèÿ è áåðèëëèÿ. Âñÿ îñòàëüíàÿ òàáëèöà Ìåíäåëååâà áûëà ñèíòåçèðîâàíà â ÿäåðíûõ ðåàêöèÿõ çà ïîñëåäóþùèå 13,8 ìëðä ëåò, ïðè÷åì âñþ ýòó ïðîäóêöèþ, âåðîÿòíî, ïðîèçâåëè çâåçäû, ïîñêîëüêó âñå íàáëþäàåìûå íàìè ïðèðîäíûå ðåàêòîðû ÿäåðíîãî ñèíòåçà ñåé÷àñ ñâÿçàíû èìåííî ñ íèìè. Òåîðèÿ õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè ãàëàêòèê ðàçðàáîòàíà äåòàëüíî è ïîêîèòñÿ íà ìîãó÷åì ôóíäàìåíòå ÿäåðíîé ôèçèêè, ñíàáäèâøåé àñòðîõèìèêîâ òåìïàìè è óñëîâèÿìè ïðîòåêàíèÿ ðàçëè÷íûõ ðåàêöèé, ñå÷åíèÿ êîòîðûõ èçìåðåíû î÷åíü òî÷íî â ëàáîðàòîðíûõ ýêñïåðèìåíòàõ. Íà îñíîâíîé ñòàäèè ýâîëþöèè âñåõ çâåçä — íà ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè — â çâåçäàõ «ãîðèò» âîäîðîä, ïðåâðàùàÿñü â ãåëèé-4.  êîíöå êîíöîâ â öåíòðå çâåçäû îáðàçóåòñÿ ãåëèåâîå ÿäðî, à âîäîðîä ïðîäîëæàåò ãîðåòü â ñëîåâîì èñòî÷íèêå âîêðóã ïëîòíîãî ÿäðà; íà ýòîì ýòàïå çâåçäà ïîêèäàåò ãëàâíóþ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü, óñòðåìëÿÿñü, åñëè îíà ìàëîìàññèâíàÿ, â ãèãàíòû, à åñëè ìàññèâíàÿ — òî â ñâåðõãèãàíòû. Íà îïðåäåëåííîé ñòàäèè ýâîëþöèè — íà âåðøèíå âåòâè ãèãàíòîâ — â ÿäðå çàãîðàåòñÿ ãåëèé; îí ïîñòåïåííî ïðåâðàùàåòñÿ â óãëåðîä (3 42 He ® 126 C + ã), çàòåì â êèñëîðîä ( 126 C + He ® O + ã), çàòåì — â öåëûé ðÿä õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ âïëîòü äî òèòàíà ( 44 22 Ti), àòîìíàÿ ìàññà ÿäåð êîòîðûõ êðàòíà ÷åòûðåì. Ïîñëåäîâàòåëüíûé ñèíòåç òàêèì ìåõàíèçìîì äàëåå íåâîçìîæåí, ïîñêîëüêó áîëåå òÿæåëûå ýëåìåíòû ñ ìàññîé, êðàòíîé ÷åòûðåì, íà÷èíàÿ óæå ñ òèòàíà, íåñìîòðÿ íà áîëüøóþ ýíåðãèþ ñâÿçè èõ ÿäåð, îêàçûâàþòñÿ ðàäèîàêòèâíûìè, ò. å. ïîäâåðæåíû ðàñïàäó. Íî åñòü îáõîäíûå ïóòè: «ïðîñêî÷èâ» ÷óòü äàëüøå, ìîæíî ïîëó÷èòü íåñòàáèëüíûå èçîòîïû áîëåå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ, êîòîðûå ïðè ðàñïàäå äàþò óñòîé÷èâûå èçîáàðû. Íàïðèìåð, õðîì 48 48 24 Cr ðàñïàäàåòñÿ â ñòàáèëüíûé èçîòîï òèòàíà 22 Ti. Ýëåìåíòû C, N, O, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca è Ti, ó÷èòûâàÿ èõ ïðîèñõîæäåíèå, íàçûâàþò àëüôà-ýëåìåíòàìè, ïîñêîëüêó îíè îáðàçóþòñÿ èç ãåëèÿ, ÿäðà êîòîðîãî, êàê èçâåñòíî, íàçûâàþò àëüôà-÷àñòèöàìè (àçîò îáðàçó-
336
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
åòñÿ èç óãëåðîäà è êèñëîðîäà ïðè èõ âçàèìîäåéñòâèè ñ ïðîòîíàìè). Íîâûå ýëåìåíòû íàêàïëèâàþòñÿ â öåíòðàõ ìàññèâíûõ çâåçä, ïîêà òå æèâû è ýâîëþöèîíèðóþò. Ïîñëå ñìåðòè çâåçäû-ðîäèòåëÿ è âûáðîñà åå âåùåñòâà ïðè âçðûâå ñâåðõíîâîé òèïà II ýòè ýëåìåíòû ïîñòóïàþò â îêðóæàþùóþ ñðåäó è ïîçæå âõîäÿò â ñîñòàâ çâåçä ñëåäóþùåãî ïîêîëåíèÿ.  öåíòðàõ ìàññèâíûõ çâåçä, â ïðîöåññå ãîðåíèÿ ãåëèÿ, çàòåì óãëåðîäà, êèñëîðîäà è ò. ä., îáðàçóþòñÿ ýëåìåíòû âïëîòü äî «æåëåçíîãî ïèêà», à âñ¸, ÷òî òÿæåëåå æåëåçà è íèêåëÿ, ôîðìèðóåòñÿ â ïðîöåññå çàõâàòà íåéòðîíîâ — ëèáî ìåäëåííîãî (s-ïðîöåññ), ëèáî áûñòðîãî (r-ïðîöåññ). Ñàìàÿ ïîïóëÿðíàÿ ñåé÷àñ èäåÿ î ëîêàëèçàöèè ïðîöåññà çàõâàòà íåéòðîíîâ ïðåäïîëàãàåò, ÷òî ìåäëåííûé çàõâàò ïðîèñõîäèò â çâåçäàõ íåáîëüøèõ ìàññ íà ñòàäèè àñèìïòîòè÷åñêîé âåòâè ãèãàíòîâ, êîãäà â çâåçäå ãîðèò ñëîåâîé èñòî÷íèê. Íà ýòîì ýòàïå â öåíòðå çâåçäû ðàñïîëàãàåòñÿ óãëåðîäíîå ÿäðî, âîêðóã íåãî ãîðèò ãåëèé, à áëèæå ê ïîâåðõíîñòè ãîðèò âîäîðîä, è âñÿ ýòà êîíñòðóêöèÿ íàñòîëüêî íåóñòîé÷èâà, ÷òî íåïðåðûâíî ñóäîðîæíî ïåðåìåøèâàåòñÿ.  îòíîñèòåëüíî áëèçêèå ê ïîâåðõíîñòè çâåçäû «êàðìàíû» èç öåíòðà ïîïàäàåò áîãàòûé íåéòðîíàìè óãëåðîä-13 è ñíàáæàåò ìåäëåííûìè íåéòðîíàìè (íàïðèìåð, òàê: 136 C + 42 He ® 168 O + n) âñå ðåàêöèè, â êîòîðûõ îáðàçóþòñÿ ýëåìåíòû ñ àòîìíûì âåñîì îò 60 äî 200. À áûñòðûé çàõâàò íåéòðîíîâ ïðîèñõîäèò ïðè âçðûâàõ ñâåðõíîâûõ òèïà II. Ñâåðõíîâûå òèïà Ia ïðîèçâîäÿò ïî÷òè èñêëþ÷èòåëüíî ðàäèîàêòèâíûé íèêåëü, êîòîðûé çàòåì ðàñïàäàåòñÿ â æåëåçî: «êîíå÷íûé ïðîäóêò» òàêîãî âçðûâà — ïîëîâèíà ñîëíå÷íîé ìàññû ÷èñòîãî æåëåçà íà îäíó ñâåðõíîâóþ òèïà Ia. Èç-çà òîãî, ÷òî ðàçíûå ýëåìåíòû ðîæäàþòñÿ â çâåçäàõ ðàçíîé ìàññû, êîòîðûå ýâîëþöèîíèðóþò ñ ðàçíîé ñêîðîñòüþ (ò. å. âûáðàñûâàþò âíîâü ñîçäàííûå ýëåìåíòû ÷åðåç ðàçíûå ïðîìåæóòêè âðåìåíè), â ðàçíûõ ìîäåëÿõ õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè — ïðåæäå âñåãî â ìîäåëÿõ ñ ðàçíûìè èñòîðèÿìè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ — ìîãóò ïîëó÷àòüñÿ ðàçíûå ñîîòíîøåíèÿ îáèëèÿ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Ñàìàÿ ïîïóëÿðíàÿ ñåé÷àñ ìåðà äëèòåëüíîñòè ýïîõè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ — ñîîòíîøåíèå îáèëèé ìàãíèÿ (èëè êèñëîðîäà) è æåëåçà. Àëüôà-ýëåìåíòû, â ÷èñëî êîòîðûõ âõîäÿò êèñëîðîä è ìàãíèé, ïðîèçâîäÿòñÿ ìàññèâíûìè çâåçäàìè (M > 10 MA), êîòîðûå æèâóò âñåãî 10 ìëí ëåò. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî âíîâü ñèíòåçèðîâàííûå àëüôà-ýëåìåíòû ïîñòóïÿò â «îáùåå ïîëüçîâàíèå», ò. å. â ìåæçâåçäíóþ ñðåäó, âñåãî ÷åðåç 10 ìëí ëåò ïîñëå íà÷àëà âñïûøêè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, êîãäà ìàññèâíûå çâåçäû äðóæíî âñïûõíóò êàê ñâåðõíîâûå II òèïà. Ïî ñðàâíåíèþ ñî âðåìåíåì æèçíè ãàëàêòèêè 10 ìëí ëåò — ýòî ïðàêòè÷åñêè ìãíîâåíèå. Ïîýòîìó äëÿ ðàñ÷åòà ýâîëþöèè àëüôà-ýëåìåíòîâ ïîäõîäèò ïðèáëèæåíèå «ìãíîâåííîãî âîçâðà-
8.3. Ìåõàíèçìû ýâîëþöèè ãàëàêòèê
337
òà»: ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî íîâîå ïîêîëåíèå ìàññèâíûõ çâåçä ëèøü òîëüêî îáðàçîâàëîñü è â òî æå ìãíîâåíèå âûäàëî íîâóþ ñâåæåñèíòåçèðîâàííóþ ïîðöèþ àëüôà-ýëåìåíòîâ. Ñîâñåì èíîå äåëî — æåëåçî èëè àçîò, êîòîðûå ñèíòåçèðóþòñÿ â îñíîâíîì çâåçäàìè ñðåäíèõ ìàññ. Êàê ìû çíàåì, îñíîâíîé ïðîèçâîäèòåëü æåëåçà — ñâåðõíîâûå òèïà Ia. Ýòî äâîéíûå çâåçäíûå ñèñòåìû, ãäå îäèí èç êîìïîíåíòîâ — áåëûé êàðëèê; îí-òî è âçðûâàåòñÿ êàê ñâåðõíîâàÿ, ïðèòÿíóâ ê ñåáå âåùåñòâî ñ ñîñåäíåé çâåçäû. Áåëûé êàðëèê — êîíå÷íàÿ ñòàäèÿ ýâîëþöèè çâåçäû ñ íà÷àëüíîé ìàññîé ìåíåå 8 MA. À ïîñêîëüêó ìàëîìàññèâíûõ çâåçä áîëüøå, ÷åì ìàññèâíûõ, ïðåäêàìè áåëûõ êàðëèêîâ â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ áûâàþò îòíîñèòåëüíî ìàëîìàññèâíûå çâåçäû. Ïîòîìó èíòåíñèâíîå ðîæäåíèå áåëûõ êàðëèêîâ ïðîèñõîäèò ëèøü ÷åðåç íåñêîëüêî ìèëëèàðäîâ ëåò ïîñëå íà÷àëà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Ïîýòîìó îñíîâíàÿ äîëÿ âçðûâîâ ñâåðõíîâûõ òèïà Ia ïðîèñõîäèò òîëüêî ÷åðåç 2–3 ìëðä ëåò ïîñëå íà÷àëà âñïûøêè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Åñëè æå ïðîöåññ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ê òîìó ìîìåíòó â äàííîé îáëàñòè óæå çàêîí÷èëñÿ, ÷òî âåñüìà âåðîÿòíî, òî íîâîðîæäåííîå æåëåçî íå âîéäåò â ñîñòàâ çâåçä ñëåäóþùèõ ïîêîëåíèé. Ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî åñëè âñïûøêà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ äëèëàñü, íàïðèìåð, 1 ìëðä ëåò, âíîâü ñèíòåçèðîâàííûé ìàãíèé óñïåë âîéòè â ìîëîäûå çâåçäû, à âíîâü ñèíòåçèðîâàííîå æåëåçî íå óñïåëî. Îò ýòîé âñïûøêè îñòàåòñÿ ïîêîëåíèå çâåçä, â êîòîðûõ ìàãíèÿ â 2–3 ðàçà áîëüøå ïî îòíîøåíèþ ê æåëåçó, ÷åì â àòìîñôåðå íàøåãî Ñîëíöà. Âåäü ñîëíå÷íîå ñîîòíîøåíèå ýëåìåíòîâ õàðàêòåðíî äëÿ äëèòåëüíîãî íåïðåðûâíîãî çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â òå÷åíèå 8–10 ìëðä ëåò — òàêîâà óæ èñòîðèÿ ðîæäåíèÿ çâåçä â äèñêå íàøåé Ãàëàêòèêè. À âîò â ãèãàíòñêèõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèêàõ ëîãàðèôìè÷åñêîå îòíîøåíèå [Mg/Fe] = 0,3–0,5, ò. å. â 2–3 ðàçà áîëüøå ñîëíå÷íîãî. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî çâåçäû ãèãàíòñêèõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê ðîäèëèñü â êîðîòêîé âñïûøêå çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, ïðîäîëæàâøåéñÿ ìåíåå 1 ìëðä ëåò. Íûíå ìîäåëè õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè ãàëàêòèê õîðîøî ðàçðàáîòàíû. Ðàôèíèðîâàííûå ìîäåëè òðåáóþò äåòàëüíîãî ÷èñëåííîãî ðàñ÷åòà, íî åñòü è áîëåå ïðîñòûå ìîäåëè, äîïóñêàþùèå àíàëèòè÷åñêîå ðåøåíèå. Íàïðèìåð, åùå â ñåðåäèíå 1960-õ ãã. áûëà ïðåäëîæåíà ïðîñòàÿ ìîäåëü ýâîëþöèè ãàëàêòèêè, â êîòîðîé õèìè÷åñêèé ñîñòàâ ìåæçâåçäíîãî ãàçà è ìîëîäûõ çâåçä îïèñûâàåòñÿ åäèíñòâåííîé ïåðåìåííîé — ìåòàëëè÷íîñòüþ, ò. å. îòíîñèòåëüíûì ñîäåðæàíèåì ñóììû âñåõ ýëåìåíòîâ òÿæåëåå ãåëèÿ. Ïîñêîëüêó òÿæåëûå ýëåìåíòû ïðîèçâîäÿòñÿ â áîëüøåì êîëè÷åñòâå, ÷åì ïîòðåáëÿþòñÿ, ÿñíî, ÷òî ýòà ïåðåìåííàÿ ñî âðåìåíåì äîëæíà òîëüêî âîçðàñòàòü. Êàê è ïîëîæåíî ïðî-
338
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
ñòîé ìîäåëè, îíà îñíîâûâàåòñÿ íà íåñêîëüêèõ óïðîùàþùèõ äîïóùåíèÿõ: • çàìêíóòîñòü (closed box): ïîëíàÿ ìàññà âåùåñòâà â èçó÷àåìîé îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà ñîõðàíÿåòñÿ; âåùåñòâî â íåå íå âòåêàåò è íå âûòåêàåò; • íóëåâûå íà÷àëüíûå óñëîâèÿ: â íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè ìåòàëëè÷íîñòü ãàçà ðàâíà íóëþ, à çâåçä âîîáùå íåò, ò. å. ýâîëþöèÿ ñòàðòóåò ñ ãàçà ïåðâè÷íîãî õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà; • îäíîðîäíîñòü: ãàç ïîñòîÿííî õîðîøî ïåðåìåøèâàåòñÿ ïî âñåìó îáúåìó, ïîýòîìó âñå çâåçäû, ðîæäàþùèåñÿ â ðàçíûõ ÷àñòÿõ ïðîñòðàíñòâà â îäèí è òîò æå ìîìåíò âðåìåíè, èìåþò îäèíàêîâóþ ìåòàëëè÷íîñòü, õàðàêòåðíóþ â ýòîò ìîìåíò äëÿ ãàçà ñèñòåìû; • ïðèáëèæåíèå «ìãíîâåííîãî âîçâðàòà»: ïîñêîëüêó òÿæåëûå ýëåìåíòû ïðîèçâîäÿòñÿ â îñíîâíîì ìàññèâíûìè çâåçäàìè, òî ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî òîëüêî ÷òî îáðàçîâàâøååñÿ ïîêîëåíèå çâåçä òóò æå âûáðàñûâàåò ñèíòåçèðîâàííûå â íèõ òÿæåëûå ýëåìåíòû; • ïîñòîÿííàÿ âî âðåìåíè íà÷àëüíàÿ ôóíêöèÿ ìàññ çâåçä. Çàäàâàÿ ñîëïèòåðîâó íà÷àëüíóþ ôóíêöèþ ìàññ çâåçä (dN/dM µ M –2,35) è ïðåäïîëàãàÿ, ÷òî çâåçäû ñ íà÷àëüíîé ìàññîé äî 8 MA îñòàâëÿþò ïîñëå ñåáÿ áåëûé êàðëèê, à áîëåå ìàññèâíûå — íåéòðîííóþ çâåçäó, ïîëó÷àåì äîëþ ìàññû êàæäîãî ïîêîëåíèÿ çâåçä, íàâñåãäà «çàïåðòóþ» â ìàëîìàññèâíûõ çâåçäàõ è òåìíûõ îñòàòêàõ ýâîëþöèè ìàññèâíûõ çâåçä: 80%. Îáîçíà÷åíèÿ: S(t) — îáùàÿ ìàññà (îòíîñèòåëüíàÿ) âñåõ çâåçä, ðîäèâøèõñÿ ê ìîìåíòó t; µ(t) — îòíîñèòåëüíàÿ ìàññà ãàçà â ñèñòåìå â äàííûé ìîìåíò t; á = 0,8 — äîëÿ ìàññû êàæäîãî ïîêîëåíèÿ, çàïåðòàÿ â äîëãîæèâóùèõ îáúåêòàõ; â º 1 – á = 0,2 — äîëÿ ìàññû êàæäîãî ïîêîëåíèÿ, ìãíîâåííî âîçâðàùàåìàÿ â ìåæçâåçäíóþ ñðåäó â õîäå ýâîëþöèè; p¢ — äîëÿ ìàññû êàæäîãî ïîêîëåíèÿ, ïðåîáðàçîâàííàÿ â íîâûå òÿæåëûå ýëåìåíòû, âûáðîøåííûå çàòåì íàðóæó; p º p¢/a — îòíîñèòåëüíûé âûõîä («yield») òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ; ñîãëàñíî ñàìûì îáùèì ïðèêèäêàì, p = 0,01–0,02. Çàêîí çâåçäîîáðàçîâàíèÿ Êåííèêàòà—Øìèäòà: dS/dt = Aµn; òîãäà íà÷àëüíîå õàðàêòåðíîå âðåìÿ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ô0 = (áA)–1. Ìîäåëü õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè ãàëàêòèêè âñåãäà âêëþ÷àåò â ñåáÿ ñîâìåñòíîå ðåøåíèå äâóõ óðàâíåíèé ñîõðàíåíèÿ: óðàâíåíèÿ ñîõðàíåíèÿ îáùåé ìàññû è óðàâíåíèÿ ñîõðàíåíèÿ ìàññû òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ (èëè îäíîãî èç íèõ).  «ïðîñòîé» ìîäåëè ðåøàåì ýòè óðàâíåíèÿ àíàëèòè÷åñêè. Èòàê, óðàâíåíèå ñîõðàíåíèÿ ìàññû:
339
8.3. Ìåõàíèçìû ýâîëþöèè ãàëàêòèê
µ = 1 – áS, dµ = –ádS,
d æ 1ö 1 dm a dS . = ç ln ÷ = dt è m ø m dt m dt
Òåïåðü ïåðåéäåì ê óðàâíåíèþ áàëàíñà îòíîñèòåëüíîé ìàññû òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ â ãàçå (Zµ): óáûëü — óøëè â íîâîå ïîêîëåíèå çâåçä âìåñòå ñ ãàçîì; ïðèáûëü — âûáðîñ ñòàðûõ ýëåìåíòîâ, âîøåäøèõ â çâåçäû â ïðåäûäóùåì àêòå çâåçäîîáðàçîâàíèÿ âìåñòå ñ ãàçîì, ïëþñ âíîâü ñèíòåçèðîâàííûå òÿæåëûå ýëåìåíòû: d(Zµ) = p¢dS + Z(â – p¢)dS – ZdS,
d ( Zm ) = p ¢(1 - Z ) - aZ , ds mdZ + Zdm + aZ = p ¢(1 - Z ), dS mdZ + ZdS + aZ = p ¢(1 - Z ), dS mdZ = p (1 - Z ). adS
Äåëàåì â ëåâîé ÷àñòè ïîäñòàíîâêó èç ïåðâîãî óðàâíåíèÿ äëÿ ádS/µ è ïîëó÷àåì: dZ = p (1 - Z ) » p, æ 1ö d ç ln ÷ è mø 1 Z = p ln . m
íåçàâèñèìî îò ïîêàçàòåëÿ ñòåïåíè n â çàêîíå Øìèäòà! Åñëè ïîëîæèòü n = 1, òî â «ïðîñòîé» ìîäåëè ìåòàëëè÷íîñòü çâåçäíîé ñèñòåìû ëèíåéíî ðàñòåò ñî âðåìåíåì, à ïîñëå ïîëíîãî èñ÷åðïàíèÿ ãàçà ñðåäíÿÿ ìåòàëëè÷íîñòü çâåçä áZñ = p. Âîò ïîòîìó «âûõîä» òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ è îêàçàëñÿ òàê áëèçîê ê ñîëíå÷íîé ìåòàëëè÷íîñòè ZA = 0,02. Ïîíÿòíî, ÷òî ìíîãèå äîïóùåíèÿ ïðîñòîé ìîäåëè äàëåêè îò ðåàëüíîñòè. Íàïðèìåð, äîïóùåíèå ìãíîâåííîãî âîçâðàòà ñïðàâåäëèâî òîëüêî â îòíîøåíèè ýâîëþöèè õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, ñèíòåçèðóåìûõ â ñà-
340
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
ìûõ ìàññèâíûõ çâåçäàõ: âðåìÿ æèçíè òàêèõ çâåçä ïðåíåáðåæèìî ìàëî ïî ñðàâíåíèþ ñ âîçðàñòîì ãàëàêòèê èëè, ÷òî åùå âàæíåå, ïî ñðàâíåíèþ ñ äèíàìè÷åñêèì âðåìåíåì ìàññèâíûõ çâåçäíûõ ñèñòåì. Äåéñòâèòåëüíî, ýòè çâåçäû «âûïëåâûâàþò» âíîâü ñèíòåçèðîâàííûå ýëåìåíòû ïðàêòè÷åñêè ìãíîâåííî ïîñëå ñâîåãî ôîðìèðîâàíèÿ. Òàêèì îáðàçîì, ïðèáëèæåíèåì ìãíîâåííîãî âîçâðàòà ìîæíî ïîëüçîâàòüñÿ, åñëè ðàññìàòðèâàåòñÿ ýâîëþöèÿ îáèëèÿ ìàãíèÿ èëè êèñëîðîäà. Îäíàêî óæå â îòíîøåíèè àçîòà ýòî ïðèáëèæåíèå íåñïðàâåäëèâî, ïîñêîëüêó îí ôîðìèðóåòñÿ â çâåçäàõ ñðàâíèòåëüíî íåáîëüøîé ìàññû (îò 3 äî 8 MA) íà ïîçäíèõ ñòàäèÿõ èõ ýâîëþöèè, ò. å. ñïóñòÿ îò 3 · 108 äî 3 · 107 ëåò ïîñëå èõ ðîæäåíèÿ, ÷òî âïîëíå ñîïîñòàâèìî ñ äèíàìè÷åñêèì âðåìåíåì Ãàëàêòèêè (~108 ëåò). À óæ êîãäà ðå÷ü èäåò î æåëåçå, îñíîâíûì ïîñòàâùèêîì êîòîðîãî ñëóæàò ñâåðõíîâûå òèïà Ia (õàðàêòåðíîå âðåìÿ îò îáðàçîâàíèÿ «ïðåäøåñòâåííèêà» äî âçðûâà îò 1 äî 3 ìëðä ëåò), òî ïðèáëèæåíèå ìãíîâåííîãî âîçâðàòà äàåò ñîâåðøåííî íåðåàëèñòè÷íóþ êàðòèíó ýâîëþöèè. Òàêèì îáðàçîì, ýëåìåíòàðíîå ñîïîñòàâëåíèå äëèòåëüíîñòè æèçíè èñòî÷íèêîâ ñèíòåçà ýëåìåíòîâ óêàçûâàåò, ÷òî íåîáõîäèìî ïåðåñìîòðåòü äîïóùåíèå ìãíîâåííîãî âîçâðàòà. Íåìíîãî ñëîæíåå îáñòîèò äåëî ñ ïðèáëèæåíèåì «çàìêíóòîé ñèñòåìû».  ñàìîì äåëå, åñëè ðàññìàòðèâàòü öåëèêîì ãàëàêòèêó, êîòîðàÿ ê òîìó æå íå ÿâëÿåòñÿ âçàèìîäåéñòâóþùåé, ïî÷åìó áû åé íå áûòü çàìêíóòîé? Ïîíà÷àëó ìîäåëè õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè, äàæå ÷èñëåííûå, à íå òîëüêî àíàëèòè÷åñêèå, ïûòàëèñü ðàçâèâàòü â ðàìêàõ ïðèáëèæåíèÿ çàìêíóòîñòè ñèñòåìû, è òîëüêî î÷åâèäíûå íåóäà÷è òàêîãî ïîäõîäà ïðè ïîïûòêàõ îáúÿñíèòü íàáëþäàòåëüíûå äàííûå çàñòàâèëè «ìîäåëüåðîâ» îòêàçàòüñÿ îò ýòîãî ïðèáëèæåíèÿ. Äåéñòâèòåëüíî, çàìêíóòîñòü ñèñòåìû, êàê ïîêàçûâàåò ïðîñòàÿ ìîäåëü, ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî ñîâðåìåííàÿ ìåòàëëè÷íîñòü ãàëàêòèêè îäíîçíà÷íî ñâÿçàíà ñ îòíîñèòåëüíûì êîëè÷åñòâîì ãàçà â íåé. Êîãäà ãàç ïîëíîñòüþ èñ÷åðïûâàåòñÿ, ñðåäíÿÿ ìåòàëëè÷íîñòü çâåçä â ãàëàêòèêå îäíîçíà÷íî ïðèõîäèò ê çíà÷åíèþ «âûõîäà», à ïîñêîëüêó «âûõîä» ïðèìåðíî ðàâåí ZA, ýòî îçíà÷àåò, ÷òî âñå ãàëàêòèêè, èñ÷åðïàâøèå ãàç, äîëæíû èìåòü îäíó è òó æå, à èìåííî ñîëíå÷íóþ, ìåòàëëè÷íîñòü. Íî êàê òîãäà áûòü ñ êîððåëÿöèåé «ñâåòèìîñòü—ìåòàëëè÷íîñòü» äëÿ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê? Åùå áîëåå ïîòðÿñàþùèé ôàêò: õîòÿ èç ñàìûõ îáùèõ ñîîáðàæåíèé ñîäåðæàíèå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ äîëæíî ñî âðåìåíåì ðàñòè â ëþáîé çâåçäîîáðàçóþùåé ãàëàêòèêå, â íàøåé ãàëàêòèêå îòñóòñòâóåò êîððåëÿöèÿ «âîçðàñò—ìåòàëëè÷íîñòü» ó çâåçä òîíêîãî äèñêà! Òîëüêî îòìåíèâ ïðèáëèæåíèå «çàìêíóòîé ñèñòåìû», ìîæíî ïîáîðîòü ýòî
8.4. Ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ çâåçäíûõ ñèñòåì
341
ïðîòèâîðå÷èå. Äëÿ íàøåé ãàëàêòèêè óñïåøíîé ìîäåëüþ õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè, îáúÿñíÿþùåé ïî÷òè ïîñòîÿííóþ ìåòàëëè÷íîñòü çâåçä òîíêîãî äèñêà íà ïðîòÿæåíèè âñåé åãî ýâîëþöèè (òàê íàçûâàåìûé ïàðàäîêñ G-êàðëèêîâ), îêàçàëàñü ìîäåëü ñ ïîñòîÿííûì «ïëàâíûì» ïðèòîêîì èçâíå ãàçà, îòíîñèòåëüíî áåäíîãî òÿæåëûìè ýëåìåíòàìè. Ýòà äîáàâêà ÷èñòîãî ãàçà, íî íå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ, êîìïåíñèðóåò çâåçäíûé íóêëåîñèíòåç â äèñêå, ïîñòîÿííî «ðàçáàâëÿÿ» òÿæåëûå ýëåìåíòû è ñîõðàíÿÿ èõ êîíöåíòðàöèþ â ìåæçâåçäíîé ñðåäå ïî÷òè ïîñòîÿííîé.
8.4. Ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ çâåçäíûõ ñèñòåì Èñòîðèÿ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ãàëàêòèêè îñòàâëÿåò ñâîé ñëåä â åå èíòåãðàëüíûõ öâåòàõ è èíòåãðàëüíîì ñïåêòðå. Çâåçäû ðàçíîé ìàññû, ðàçíîãî âîçðàñòà è, âåðîÿòíî, ðàçíîãî õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà ñêëàäûâàþò ñâîè ñïåêòðû â îáùóþ «êîïèëêó» — â èíòåãðàëüíûé (îáùèé) ñïåêòð ñâîåé ãàëàêòèêè, â êîòîðîì ìîæíî âûäåëèòü õàðàêòåðíûå äåòàëè, íàìåêàþùèå íàì íà èñòîðèþ ïðîèñõîæäåíèÿ è ýâîëþöèè ýòîé çâåçäíîé ñèñòåìû. Ïîýòîìó îäèí èç ñàìûõ ýôôåêòèâíûõ ìåòîäîâ èññëåäîâàíèÿ ýâîëþöèè ãàëàêòèê ïî ìàòåðèàëàì äåòàëüíûõ íàáëþäåíèé ñàìûõ áëèçêèõ èç íèõ — ýòî àíàëèç èõ èíòåãðàëüíûõ ñïåêòðîâ ñ ïîìîùüþ ìîäåëåé ýâîëþöèîííîãî ñèíòåçà. Ïðèäóìàëà ýòîò ìåòîä àìåðèêàíñêèé àñòðîôèçèê Áåàòðèñ Òèíñëè (Beatrice Tinsley, 1941–1981), êîãäà ó÷èëàñü â àñïèðàíòóðå ó Æåðàðà äå Âîêóë¸ðà. Òàêîå âîâñå íå ðåäêîñòü ñ òàëàíòëèâûìè àñïèðàíòàìè: øåô ñòàâèò îäíó çàäà÷ó äëÿ äèññåðòàöèè, à àñïèðàíò, âíèêíóâ â ñóòü äåëà, îáíàðóæèâàåò, ÷òî çàäà÷à íå ðåøàåòñÿ èëè, ïî êðàéíåé ìåðå, íå ðåøàåòñÿ â ðàìêàõ ïðåäëîæåííûõ øåôîì ïîäõîäîâ. È âìåñòî òîãî, ÷òîáû «äåëàòü, êàê ãîâîðÿò», àñïèðàíò âäðóã èçîáðåòàåò ñîâåðøåííî íîâûé ïîäõîä, êîòîðûé â èòîãå ïðèìåíÿåò ê ñîâåðøåííî äðóãèì çàäà÷àì. Òàê áûëî è â èñòîðèè ñ ýâîëþöèîííûì ñèíòåçîì. Äå Âîêóë¸ð õîòåë, ÷òîáû àñïèðàíòêà îöåíèëà ïàðàìåòð çàìåäëåíèÿ ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé ïî ñóììàðíûì ïîäñ÷åòàì ãàëàêòèê äî îïðåäåëåííîé çâåçäíîé âåëè÷èíû, à àñïèðàíòêà îáíàðóæèëà, ÷òî íåèçâåñòíàÿ ïîêà ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê â òå÷åíèå ïîñëåäíèõ 10 ìëðä ëåò ïîëíîñòüþ ïîãëîùàåò è çàìûâàåò êîñìîëîãè÷åñêèå ýôôåêòû. È Áåàòðèñ Òèíñëè ïðèäóìàëà ìeòîä ýâîëþöèîííîãî ñèíòåçà èíòåãðàëüíûõ ñïåêòðîâ, êîòîðûé ïîçâîëÿåò ñìîäåëèðîâàòü ñïåêòð ãàëàêòèêè íà îñíîâå çàäàííûõ ýâîëþöèîííûõ ïàðàìåòðîâ åå çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ. Îíà æå ïåðâàÿ è ïðèìåíèëà ýòîò ìåòîä ê áëèçêèì ãàëàêòèêàì ðàçíûõ ìîðôî-
342
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
ëîãè÷åñêèõ òèïîâ. Ýòî áûëè âñå òå æå çîëîòûå 1970-å ãîäû; èìåííî òîãäà âïåðâûå àñòðîíîìû ìíîãî óçíàëè î ïðîèñõîæäåíèè è ýâîëþöèè ãàëàêòèê ïî èõ èíòåãðàëüíûì öâåòàì è ñïåêòðàì. Îñíîâíàÿ èäåÿ ýâîëþöèîííîãî ñèíòåçà ñîñòîèò â òîì, ÷òî ñíà÷àëà ñîçäàåòñÿ ýëåêòðîííàÿ áèáëèîòåêà ñïåêòðàëüíîé ñâåòèìîñòè ðåàëüíûõ çâåçä (Ll,*) ðàçëè÷íîé íà÷àëüíîé ìàññû, íà÷àëüíîãî õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà è âîçðàñòà, à çàòåì ýòè âåëè÷èíû ñóììèðóþò ïî îïðåäåëåííîìó àëãîðèòìó ñ öåëüþ âîñïðîèçâåñòè ñïåêòðàëüíóþ ñâåòèìîñòü íàáëþäàåìîé ãàëàêòèêè (Ll, gal). Ðèñ. 8.7. Áåàòðèñ Òèíñëè. Ðàçóìååòñÿ, ýòîò àëãîðèòì äîëæåí èìåòü òåîðåòè÷åñêîå îáîñíîâàíèå, ò. å. îí äîëæåí îïèðàòüñÿ íà íàøå ïðåäñòàâëåíèå î òîì, êàêèå çâåçäû è â êàêîì êîëè÷åñòâå ôîðìèðóþòñÿ íà êàæäîì ýòàïå ýâîëþöèè ãàëàêòèêè è êàê ýòè çâåçäû â õîäå ñâîåé èíäèâèäóàëüíîé ýâîëþöèè èçìåíÿþò ñâîé ñïåêòð è ñâåòèìîñòü. Åñëè â ðåçóëüòàòå ýòîé ðàáîòû óäàåòñÿ âîñïðîèçâåñòè íàáëþäàåìûé ñïåêòð ãàëàêòèêè, çíà÷èò, åñòü øàíñ, ÷òî ìû ïðàâèëüíî ïðåäñòàâëÿåì èñòîðèþ æèçíè ýòîé çâåçäíîé ñèñòåìû. Ôîðìàëüíî ýòî âûãëÿäèò òàê: t gal M max
L l , gal =
ò ò L l ,* ( M, t) N * ( M, t) dMdt , 0 M min
ãäå N*(M, t) — êîëè÷åñòâî çâåçä íà÷àëüíîé ìàññû M è âîçðàñòà t. Âåðõíèé ïðåäåë èíòåãðèðîâàíèÿ ïî âîçðàñòàì çâåçä — ýòî, åñòåñòâåííî, âîçðàñò ãàëàêòèêè (tgal): òóò ìû ñ÷èòàåì, ÷òî ãàëàêòèêà îáðàçîâàëàñü òîãäà, êîãäà â íåé ðîäèëèñü ñàìûå ïåðâûå çâåçäû. Ýòî íå âïîëíå âïèñûâàåòñÿ â «èåðàðõè÷åñêóþ êîíöåïöèþ»: òàì âîçðàñò ãàëàêòèêè íà÷èíàåò îòñ÷èòûâàòüñÿ ñ ìîìåíòà, êîãäà îíà ïðèîáðåëà áîëüøå ïîëîâèíû îêîí÷àòåëüíîãî êîëè÷åñòâà ñâîèõ çâåçä, íî ìåòîä ýâîëþöèîííîãî ñèíòåçà áûë ñôîðìóëèðîâàí ãîðàçäî ðàíüøå, ÷åì âîçíèêëà èåðàðõè÷åñêàÿ êîíöåïöèÿ.
8.4. Ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ çâåçäíûõ ñèñòåì
343
Ïðåäåëû èíòåãðèðîâàíèÿ ïî ìàññàì çâåçä îáû÷íî áåðóòñÿ äî íeêîòîðîé ñòåïåíè ïðîèçâîëüíî, íàïðèìåð: Mmin = 0,1 MA è Mmax = (60–100) MA; êàê ïîêàçàë îïûò, íà ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ ýòîò âûáîð ñèëüíî íå âëèÿåò. ×òî êàñàåòñÿ Ll,*(M, t), ò. å. ñïåêòðàëüíîé ñâåòèìîñòè çâåçäû ìàññû M è âîçðàñòà t, òî îíà ðàññ÷èòûâàåòñÿ èç òåîðèè ýâîëþöèè çâåçä, ïîýòîìó ñàì ìåòîä è íàçûâàåòñÿ ýâîëþöèîííûì ñèíòåçîì. Òåîðèÿ ýâîëþöèè çâåçä îáåñïå÷èâàåò ðàñ÷åò ýâîëþöèîííîãî òðåêà çâåçäû ìàññû M íà äèàãðàììå (Lbol, Teff), åñëè çàäàí íà÷àëüíûé õèìè÷åñêèé ñîñòàâ çâåçäû, (X, Y, Z); ãäå X — îòíîñèòåëüíîå (ïî ìàññå) ñîäåðæàíèå âîäîðîäà, Y — ñîäåðæàíèå ãåëèÿ è Z — ñîäåðæàíèå âñåõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ òÿæåëåå ãåëèÿ, êîòîðûå, êàê ìû çíàåì, àñòðîíîìû äëÿ êðàòêîñòè íàçûâàþò ïðîñòî «ìåòàëëàìè». Ñîëíå÷íûé õèìè÷åñêèé ñîñòàâ ñ òî÷íîñòüþ äî 1% òàêîâ: XA = 0,73; YA = 0,25; ZA = 0,02. Ó áîëüøèíñòâà çâåçä Z m ZA. Ïàðàìåòð Z, áóäó÷è ñàìûì ìàëåíüêèì èç òðåõ, òåì íå ìåíåå îêàçûâàåò îñíîâíîå âëèÿíèå íà ýâîëþöèþ çâåçäû, òàê êàê êîíòðîëèðóåò ïðîçðà÷íîñòü åå àòìîñôåðû.  öåëîì ýâîëþöèÿ ñâåòèìîñòè è òåìïåðàòóðû (öâåòà) çâåçä õîðîøî èçâåñòíà: 90% æèçíè, ïîêà â ÿäðå ãîðèò âîäîðîä, çâåçäà ïðîâîäèò íà ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè, î÷åíü ìåäëåííî è â öåëîì íåçíà÷èòåëüíî óâåëè÷èâàÿ ñâîþ ñâåòèìîñòü è òåìïåðàòóðó. Çàòåì, êîãäà îáðàçóåòñÿ ãåëèåâîå ÿäðî è âîäîðîä ãîðèò óæå âîêðóã íåãî (â ñëîåâîì èñòî÷íèêå), çâåçäà äîâîëüíî áûñòðî ïîäíèìàåòñÿ âäîëü âåòâè ãèãàíòîâ. Äîñòèãíóâ åå âåðøèíû, â ìîìåíò çàãîðàíèÿ ãåëèÿ â ÿäðå («ãåëèåâàÿ âñïûøêà»), çâåçäà ñáðàñûâàåò âåðõíèå ñëîè àòìîñôåðû è ñïóñêàåòñÿ íà ãîðèçîíòàëüíóþ âåòâü. Åñëè çâåçäà ìàëîìàññèâíàÿ è/èëè áåäíàÿ ìåòàëëàìè, òî îíà ïîïàäàåò íà ãîëóáóþ (áîëåå ãîðÿ÷óþ) ÷àñòü ãîðèçîíòàëüíîé âåòâè, à íà êðàñíóþ åå ÷àñòü ïîïàäàþò çâåçäû áîëåå ìàññèâíûå è/èëè ñ áîëüøèì ñîäåðæàíèåì ìåòàëëîâ. Äàëüíåéøèå ñòàäèè ýâîëþöèè — àñèìïòîòè÷åñêàÿ âåòâü ãèãàíòîâ, ïîñò-àñèìïòîòè÷åñêàÿ è ïðîòîïëàíåòàðíàÿ ñòàäèè — íàñòóïàþò ïî ìåðå çàãîðàíèÿ è èñ÷åðïàíèÿ âñå áîëåå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ â ÿäðå çâåçäû è ïðîòåêàþò î÷åíü áûñòðî. Êîíå÷íûé ïðîäóêò ýâîëþöèè çâåçäû çàâèñèò îò åå íà÷àëüíîé ìàññû. Ïðè íà÷àëüíîé ìàññå ìåíåå 8 MA, ó÷èòûâàÿ ïîñëåäóþùèå ïîòåðè âåùåñòâà, çâåçäà ïðåâðàùàåòñÿ â áåëûé êàðëèê ìàññîé 0,6–0,7 MA. Ïðè íà÷àëüíîé ìàññå çâåçäû áîëåå 8 MA îíà ïðåâðàùàåòñÿ (òàêæå ïîñëå çíà÷èòåëüíûõ ïîòåðü âåùåñòâà) â íåéòðîííóþ çâåçäó ìàññîé îêîëî 1,4 MA. À ñàìûå êðóïíûå çâåçäû ìàññîé áîëåå 40–60 MA, âïîëíå âîçìîæíî, â êîíöå æèçíè êîëëàïñèðóþò â ÷åðíûå äûðû.
344
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
Âêëàä òåõ èëè èíûõ ñòàäèé ýâîëþöèè çâåçä â èíòåãðàëüíóþ áîëîìåòðè÷åñêóþ ñâåòèìîñòü çâåçäíîé ñèñòåìû (ãàëàêòèêè) îïðåäåëÿåòñÿ áàëàíñîì ìåæäó ñâåòèìîñòüþ çâåçäû íà ýòîé ñòàäèè è äëèòåëüíîñòüþ åå ïðåáûâàíèÿ íà íåé. Ïåðåõîä îò áîëîìåòðè÷åñêîé ñâåòèìîñòè çâåçä, êîòîðàÿ áåðåòñÿ èç òåîðåòè÷åñêèõ ðàñ÷åòîâ ýâîëþöèîííûõ òðåêîâ, ê íàáëþäàåìîé âåëè÷èíå — ìîíîõðîìàòè÷åñêîé ñâåòèìîñòè, ñîîòâåòñòâóþùåé êîíêðåòíîé äëèíå âîëíû â ñïåêòðå èëè êîíêðåòíîìó ñïåêòðàëüíîìó äèàïàçîíó (ôîòîìåòðè÷åñêîé ïîëîñå), îñóùåñòâëÿåòñÿ ÷åðåç çíà÷åíèå ýôôåêòèâíîé òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè çâåçäû (Teff) è çàâèñÿùèõ îò íåå áîëîìåòðè÷åñêèõ ïîïðàâîê. Íà÷àëüíàÿ ìåòàëëè÷íîñòü çâåçä, îïðåäåëÿþùàÿ ñèñòåìó ýâîëþöèîííûõ òðåêîâ äëÿ íåêîòîðîãî äèñêðåòíîãî íàáîðà íà÷àëüíûõ çâåçäíûõ ìàññ, ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç ãëàâíûõ ïàðàìåòðîâ ìîäåëè ýâîëþöèîííîãî ñèíòåçà èíòåãðàëüíîé ñâåòèìîñòè ãàëàêòèêè. Êàê ïðàâèëî, íà÷àëüíàÿ ìåòàëëè÷íîñòü ôèêñèðóåòñÿ äëÿ çâåçäíûõ ïîêîëåíèé ðàçíûõ âîçðàñòîâ. Ìû æå ïîìíèì, õîòÿ è íå ïåðåñòàåì ýòîìó óäèâëÿòüñÿ, ÷òî ìîäåëè ñ ôèêñèðîâàííîé ìåòàëëè÷íîñòüþ ëó÷øå ñîîòâåòñòâóþò íàáëþäàåìûì ñïåêòðàì ãàëàêòèê — êàê ñïèðàëüíûõ, òàê è ýëëèïòè÷åñêèõ, — ÷åì ìîäåëè, â êîòîðûõ ìåòàëëè÷íîñòü ðàñòåò ñî âðåìåíåì.  íàøåé ãàëàêòèêå ýòî òàêæå ïðîÿâëÿåòñÿ â âèäå èçâåñòíîãî ïàðàäîêñà G-êàðëèêîâ. Î÷åâèäíî, ýòî îáùåå, øèðîêî ðàñïðîñòðàíåííîå ñâîéñòâî ãàëàêòèê. Äðóãèå ãëàâíûå ïàðàìåòðû ìîäåëè «çàøèòû» â íîðìèðóþùåì êoýôôèöèåíòå N*(M, t) — ÷èñëå çâåçä ìàññû M è âîçðàñòà t â ãàëaêòèêå. Îáû÷íî ïðè ìîäåëèðîâàíèè ïåðåìåííûå ðàçäåëÿþò: N* (M, t) º IMF(M) ´ SFR(ô), ãäå IMF(M) — íà÷àëüíàÿ ôóíêöèÿ ìàññ (Initial Mass Function) çâåçä, ò. å. ðàñïðåäåëåíèå çâåçä ïî ìàññàì â êàæäîì âíîâü ðîæäàþùåìñÿ ïîêîëåíèè, à SFR(ô) — òåìï çâåçäîîáðàçîâàíèÿ (Star Formation Rate) â ãàëàêòèêå, êîãäà ñ ìîìåíòà åå ðîæäåíèÿ ïðîøëî ô ëåò, ãäå ô º tgal – t. Òàêîå ðàçäåëåíèå ïåðåìåííûõ ïðåäïîëàãàåò, ÷òî IMF íå ýâîëþöèîíèðóåò ñî âðåìåíåì; ýòî óïðîùàþùåå ïðåäïîëîæåíèå. ×òî êàñàåòñÿ íàøèõ ýìïèðè÷åñêèõ ïðåäñòàâëåíèé îá IMF, òî ó íèõ ñ÷àñòëèâàÿ ñóäüáà: îíè ïðàêòè÷åñêè íå ìåíÿëèñü ïîñëåäíèå 50 ëåò. Ýäâèí Ñîëïèòåð (E. E. Salpeter) èçìåðèë IMF â 1955 ã. ïî îòíîñèòåëüíî íåáîëüøîé âûáîðêå çâåçä â îêðåñòíîñòÿõ Ñîëíöà â èíòåðâàëå ìàññ îò 1 äî 10 MA; ó íåãî ïîëó÷èëñÿ ñòåïåííîé çàêîí dN*/dM µ M –2,35. Êàê íè ïûòàëèñü ñ òåõ ïîð íà áîëüøèõ âûáîðêàõ è áîëåå ðàôèíèðîâàííûìè ìåòîäàìè óòî÷íèòü ýòîò ðåçóëüòàò, îí óñòîÿë ïðàêòè÷åñêè â èñõîäíîì âèäå. Ïîõîæå, çàêîí Ñîëïèòåðà èìååò â îñíîâå êàêóþ-òî ôóíäàìåíòàëüíóþ ôèçèêó çâåçäîîáðàçîâàíèÿ.  ñàìîì îáùåì ñëó-
8.4. Ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ çâåçäíûõ ñèñòåì
345
÷àå ïðè ýâîëþöèîííîì ñèíòåçå èñïîëüçóþò IMF µ M –a, ãäå á — ïàðàìåòð ìîäåëè. ×òî êàñàåòñÿ ãëîáàëüíîé èñòîðèè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, SFR, òî èñòîðè÷åñêè ñëîæèëîñü òàê, ÷òî åå ïàðàìåòðèçóþò ýêñïîíåíòîé: SFR µ exp(–ô/ô0), ãäå ô0 — õàðàêòåðíîå âðåìÿ òðàíñôîðìàöèè ãàçà â çâåçäû (ïàðàìåòð ìîäåëè). Ïî÷åìó èìåííî ýêñïîíåíòîé?  ñàìîé ïðîñòîé ìîäåëè, åñëè ñèñòåìà çàìêíóòàÿ, ãàç ïðîòîãàëàêòèêè ïîñòåïåííî èñ÷åðïûâàåòñÿ, ïåðåõîäÿ â çâåçäû, è èç ôèçè÷åñêîãî çäðàâîãî ñìûñëà ñëåäóåò, ÷òî èíòåíñèâíîñòü çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ãàëàêòèêå äîëæíà ìîíîòîííî óáûâàòü ñî âðåìåíåì. Çàêîí Êåííèêàòà—Øìèäòà «ñîâåòóåò» ñ÷èòàòü òåìï çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ïðîïîðöèîíàëüíûì ïðèìåðíî ïåðâîé ñòåïåíè ïîâåðõíîñòíîé ïëîòíîñòè ãàçà. Åñëè óïðîñòèòü è âìåñòî ïëîòíîñòè ãàçà ïîäñòàâèòü åãî ïîëíóþ ìàññó (Mg), ÷òî ïðàâîìåðíî â çàìêíóòîé ñèñòåìå, òî ïîëó÷èì: dM g dt
= -SFR = -
Mg t0
.
Ýòî óðàâíåíèå èíòåãðèðóåòñÿ àíàëèòè÷åñêè: Mg = Mtot exp(–ô/ô0), ïîýòîìó M SFR = tot e -t /t 0 , t0 îòñþäà è ýêñïîíåíöèàëüíûé çàêîí óáûâàíèÿ ãëîáàëüíîé èíòåíñèâíîñòè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ìîäåëÿõ ãàëàêòèê. Íà ñàìîì äåëå, êàê ïîêàçàëà ïðàêòèêà ìîäåëèðîâàíèÿ, òî÷íûé âèä ôóíêöèè SFR(ô) íå âàæåí, à âàæíî îòíîøåíèå ñîâðåìåííîãî òåìïà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ãàëàêòèêå ê ñðåäíåìó çà âðåìÿ åå æèçíè, à òàêæå õàðàêòåðíîå âðåìÿ ôîðìèðîâàíèÿ çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ ãàëàêòèêè ô0. Ñóùåñòâóþò òàêèå ãàëàêòèêè, â êîòîðûõ ñîâðåìåííûé òåìï çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ïðåâûøàåò ñðåäíèé; òàêèå ñèñòåìû íàçûâàþò ãàëàêòèêàìè ñî «âñïûøêîé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ», ïî-àíãëèéñêè «star burst». Ïðåäåëüíûé ñëó÷àé ìãíîâåííîãî îáðàçîâàíèÿ âñåõ çâåçä â ãàëàêòèêå ìîäåëèðóåòñÿ ïðîùå âñåãî — áåç èíòåãðèðîâàíèÿ ïî âîçðàñòàì çâåçä. Òàêèå ïðîñòåéøèå ìîäåëè ïîëó÷èëè óñòîÿâøååñÿ ñîêðàùåííîå íàçâàíèå SSP, êîòîðîå ðàçíûå àâòîðû ðàñøèôðîâûâàþò ïî-ðàçíîìó: îäíè ñ÷èòàþò, ÷òî SSP — ýòî Simple Stellar Population, à äðóãèå — ÷òî ýòî Single Stellar Population. Ïåðâûå ìîäåëè Áåàòðèñ Òèíñëè áûëè åùå êðàéíå íåñîâåðøåííû: ýâîëþöèîííûå òðåêè çâåçä áûëè òîãäà ðàññ÷èòàíû òîëüêî äî îñíîâàíèÿ âåòâè ãèãàíòîâ, ïîýòîìó â ñâîåé ñàìîé ïåðâîé ðàáîòå Òèíñëè ê òåîðåòè÷åñêèì èçîõðîíàì âîçðàñòà 12 ìëðä ëåò áûëà âûíóæäåíà
346
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
«ïðèñòåãèâàòü» íàáëþäàåìóþ âåòâü ãèãàíòîâ ñòàðûõ ðàññåÿííûõ ñêîïëåíèé äèñêà Ãàëàêòèêè: NGC 188, M67 è äð. Òåïåðü-òî ìû çíàåì, ÷òî ñàìûå ñòàðûå ðàññåÿííûå ñêîïëåíèÿ íàìíîãî ìîëîæå 12 ìëðä ëåò, íî ó Òèíñëè íå áûëî èíîãî âûõîäà: â åå ìîäåëÿõ áûë çàôèêñèðîâàí ñîëíå÷íûé õèìè÷åñêèé ñîñòàâ, è âåòâè ãèãàíòîâ øàðîâûõ ñêîïëåíèé åé íå ãîäèëèñü. Òåì íå ìåíåå, íåñìîòðÿ íà íåäîñòàòêè ïåðâûõ ìîäåëåé, Òèíñëè ñðàçó æå ñäåëàëà íåñêîëüêî ýïîõàëüíûõ îòêðûòèé. Òàê, íà äâóõöâåòíîé äèàãðàììå (U–B, B–V) ðàñïðåäåëåíèå öâåòîâ áëèçêèõ ãàëàêòèê ñàìûõ ðàçíûõ ìîðôîëîãè÷åñêèõ òèïîâ, ïðåäñòàâëÿþùåå ñîáîé äîâîëüíî óçêóþ ïîëîñó, ñîâïàëî ñ ìîäåëüíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòüþ, ïîëó÷åííîé ïðè âñåõ ôèêñèðîâàííûõ ïàðàìåòðàõ ìîäåëè (âêëþ÷àÿ âîçðàñò ãàëàêòèê 12 ìëðä ëåò), êðîìå ïàðàìåòðà òåìïà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ô0. Òèíñëè íåìåäëåííî ñäåëàëà âûâîä, ÷òî âñå ãàëàêòèêè âîêðóã íàñ èìåþò ïðèìåðíî îäèíàêîâûé äðåâíèé âîçðàñò è ðàçëè÷àþòñÿ ëèøü ñîâðåìåííûì òåìïîì çâåçäîîáðàçîâàíèÿ: êðàñíûé öâåò ýëëèïòè÷åñêèõ è ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèê ïîëó÷àåòñÿ ïðè ìîùíîé íà÷àëüíîé âñïûøêå çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, ïðàêòè÷åñêè çàòóõøåãî ê íàøåé ýïîõå (ô0 = 1 ìëðä ëåò), à ãîëóáîé öâåò ãàëàêòèê ñàìûõ ïîçäíèõ ìîðôîëîãè÷åñêèõ òèïîâ (Sd–Sm è Irr) ïîëó÷àåòñÿ â òîì ñëó÷àå, åñëè çâåçäîîáðàçîâàíèå øëî ñ ïðèìåðíî ïîñòîÿííîé íåâûñîêîé èíòåíñèâíîñòüþ â òå÷åíèå âñåãî âðåìåíè æèçíè ãàëàêòèêè è ñîõðàíèëîñü ïðàêòè÷åñêè íà òîì æå óðîâíå äî íàøèõ äíåé (ô0 ® ¥). Öâåòà ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê áîëåå ðàííèõ òèïîâ óñïåøíî ìîäåëèðóþòñÿ ïðè ïðîìåæóòî÷íûõ çíà÷åíèÿõ t0: äëÿ òèïà Sa áåðóò ô0 » 3 ìëðä ëåò, äëÿ Sb — 5 ìëðä ëåò, à äëÿ Sc — 10 ìëðä ëåò. Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî â íàøåé ãàëàêòèêå, êîòîðàÿ ïî âñåì ïðèìåòàì èìååò ïîçäíèé òèï è íåáîëüøîé áàð (SBbc) è èñòîðèÿ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ êîòîðîé âîññòàíàâëèâàåòñÿ ïðÿìûì ïîäñ÷åòîì ÷èñëà çâåçä ðàçëè÷íîãî âîçðàñòà, òåìï çâåçäîîáðàçîâàíèÿ (ñãëàæåííûé íà ìàñøòàáàõ â íåñêîëüêî ñîòåí ìèëëèîíîâ ëåò) áûë ïî÷òè ïîñòîÿííûì ïîñëåäíèå 8 ìëðä ëåò. Òî åñòü äëÿ íàøåé ãàëàêòèêè äåéñòâèòåëüíî ô0 » 10 ìëðä ëåò. Öâåò êàæäîé ãàëàêòèêè â ïåðâóþ î÷åðåäü óêàçûâàåò íà äîëþ ìîëîäûõ çâåçä ñðåäè åå çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ. Ê ñîæàëåíèþ, åñòü åùå è «âòîðàÿ î÷åðåäü» — ìåòàëëè÷íîñòü: èç-çà ìàòåìàòè÷åñêîãî âûðîæäåíèÿ ýôôåêòîâ âîçðàñòà è ìåòàëëè÷íîñòè â ìîäåëÿõ ýâîëþöèîííîãî ñèíòåçà øàðîâûå ñêîïëåíèÿ èìåþò òàêèå æå UBV-öâåòà, êàê è Sc-ãàëàêòèêè. Õîòÿ â øàðîâûõ ñêîïëåíèÿõ âîçðàñò âñåõ çâåçä áîëåå 10 ìëðä ëåò, ìåòàëëè÷íîñòü ó íèõ â 100 ðàç ìåíüøå ñîëíå÷íîé, à â Sc-ãàëàêòèêàõ, íàîáîðîò, ìíîãî ìîëîäûõ çâåçä ñ ñîëíå÷íîé ìåòàëëè÷íîñòüþ. Èìåííî ïîýòî-
8.5. Ïîñëåäíèå äàííûå è ñâåæèå èäåè
347
ìó ñòîëü ðàçíûå çâåçäíûå íàñå- Êðàñíûé ü íîñò òåëü ëåíèÿ èìåþò ïî÷òè îäèíàêîà â î åä ïîñë âûå öâåòà. Ýòó ïðîáëåìó íóæñíàÿ à ð Ê íî èìåòü â âèäó. à îëèí àÿ ä Èíòåðåñíî, ÷òî íà äèàãðàìí å ë Çå ìå «öâåò—ñâåòèìîñòü» âñå ãàëàêòèêè ôîðìèðóþò äâà íåïåðåñåêàþùèõñÿ ìàññèâà: «êðàñÃîëóáîå îáëàêî íóþ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü», ñîäåðæàùóþ ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè è âñå äðóãèå ãàëàêòèÑèíèé êè áåç çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, è Âûñîêàÿ Íèçêàÿ «ãîëóáîå îáëàêî», ñîäåðæàùåå ñâåòèìîñòü ñâåòèìîñòü ãàëàêòèêè ñî çâåçäîîáðàçîâàÐèñ. 8.8. Ðàñïðåäåëåíèå ãàëàêòèê íèåì. Ìåæäó ýòèìè äâóìÿ íà ïëîñêîñòè «öâåò—ñâåòèìîñòü». ñòðóêòóðàìè — ïðîâàë: â òàê íàçûâàåìîé «çåëåíîé äîëèíå» ãàëàêòèê ìàëî. Ñ òåõ ïîð, êàê ïî ìàòåðèàëàì ìàññîâûõ ôîòîìåòðè÷åñêèõ îáçîðîâ íåáà ïîñëåäíåãî äåñÿòèëåòèÿ, îõâàòèâøèõ ìíîãèå òûñÿ÷è ãàëàêòèê, áûëè âûÿâëåíû «êðàñíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü» è «ãîëóáîå îáëàêî», íå ïðåêðàùàþòñÿ ñïîðû îá ýâîëþöèîííîì ñìûñëå ýòîé äèàãðàììû. Ïåðåìåùàþòñÿ ëè îòäåëüíûå ãàëàêòèêè ìåæäó «êðàñíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòüþ» è «ãîëóáûì îáëàêîì»? Åñëè äà, òî â êàêîì íàïðàâëåíèè — îò ãîëóáûõ ê êðàñíûì èëè íàîáîðîò? È îçíà÷àåò ëè ìàëîå êîëè÷åñòâî ãàëàêòèê â «çåëåíîé äîëèíå», ÷òî ïåðåìåùåíèå ãàëàêòèê ìåæäó «êðàñíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòüþ» è «ãîëóáûì îáëàêîì» ïðîèñõîäèò î÷åíü áûñòðî?
8.5. Ïîñëåäíèå äàííûå è ñâåæèå èäåè 8.5.1. Êàðëèêîâûå íåïðàâèëüíûå è ñôåðîèäàëüíûå ãàëàêòèêè Íåïðàâèëüíûå ãàëàêòèêè — ýòî íàñåëåíèå íà êðàñíîì ñìåùåíèè z = 0 ñ ñàìûì áîëüøèì êîëè÷åñòâîì ìîëîäûõ çâåçä; ýòî ñàìûå ãîëóáûå ãàëàêòèêè âîêðóã íàñ. Íî ýòî è ñàìûå ìàëîìàññèâíûå ãàëàêòèêè, è ãàç â íèõ ñîñòàâëÿåò íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ïðîöåíòîâ îò îáùåé áàðèîííîé ìàññû. Ïàðàäîêñ: ãàëàêòèêè ñ ñàìûì èíòåíñèâíûì â äàííûé ìîìåíò çâåçäîîáðàçîâàíèåì î÷åíü íåýôôåêòèâíî ôîðìèðîâàëè çâåçäû â òå÷åíèå âñåé ñâîåé æèçíè. Ãàçà â íèõ ìíîãî, îí âîçáóæäåí óëüòðàôèîëåòîâûì èçëó÷åíèåì ìàññèâíûõ çâåçä. Ïîýòîìó ìàññîâûå èçìåðåíèÿ õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà íåïðàâèëüíûõ ãàëàêòèê — ýòî èçìåðåíèÿ õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà èõ ãàçà, ïðåæäå âñåãî ñîäåðæàíèÿ â íåì êèñëîðîäà.
348
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
Çíàÿ ñîäåðæàíèå êèñëîðîäà â ãàçå è îáùóþ ìàññó ãàçà â ãàëàêòèêå, ìîæíî âû÷èñëèòü ýôôåêòèâíûé âûõîä ñèíòåçà êèñëîðîäà â çâåçäàõ (peff) ïî ôîðìóëå èç ìîäåëè ïðîñòîé õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè: Z = peff ln(1/µ),
ãäå Z — ìàññîâàÿ äîëÿ èñêîìîãî ýëåìåíòà (êèñëîðîäà) â ãàçå è µ — ìàññîâàÿ äîëÿ ãàçà â áàðèîííîì âåùåñòâå ãàëàêòèêè. Ñðàâíèâ ïîëó÷åííîå èç íàáëþäåíèé çíà÷åíèå peff ñ òåîðåòè÷åñêèì ïðåäñêàçàíèåì ðàñ÷åòà ýâîëþöèè ìàññèâíûõ çâåçä, ìû óâèäèì, ÷òî â ñðåäíåì ýôôåêòèâíûé âûõîä êèñëîðîäà â íåïðàâèëüíûõ ãàëàêòèêàõ ïîíèæåí îòíîñèòåëüíî òåîðåòè÷åñêîãî. ×òî ìîæåò ïîíèæàòü âûõîä ñèíòåçà êèñëîðîäà èç ìàññèâíûõ çâåçä? Åñòü äâà âàðèàíòà îòâåòà: âèíîâàò ëèáî ïîñòîÿííûé ïðèòîê (infall) â ãàëàêòèêó ãàçà, áåäíîãî êèñëîðîäîì, ëèáî îòòîê (outflow) èç ãàëàêòèêè ãàçà, îáîãàùåííîãî êèñëîðîäîì. Ïîñëåäíèé ôåíîìåí íàçûâàþò «îáîãàùåííûì ãàëàêòè÷åñêèì âåòðîì». Îí ìîæåò âîçíèêàòü, íàïðèìåð, ïðè ìàññîâûõ âñïûøêàõ ñâåðõíîâûõ, êîãäà ñáðàñûâàåìûå èìè îáîëî÷êè îáëàäàþò òàêîé êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé, ÷òî ëåãêî ïðåîäîëåâàþò ãðàâèòàöèþ ãàëàêòèêè, óõîäÿò â ìåæãàëàêòè÷åñêóþ ñðåäó è óíîñÿò ñ ñîáîé âíîâü ñèíòåçèðîâàííûé êèñëîðîä. Ìîæíî ëè ñäåëàòü âûáîð ìåæäó ýòèìè äâóìÿ ñöåíàðèÿìè?  oáçîðå Ëèçû âàí Çåå è Ìàðòû Õàéíåñ 2006 ã. íà îñíîâå íàáëþäåíèé ñoäåðæàíèÿ êèñëîðîäà â áîëüøîé âûáîðêå íåïðàâèëüíûõ ãàëaêòèê ïîñòðîåíà èíòåðåñíàÿ äèàãðàììà (ðèñ. 8.9) — log(O/H) îò log [ln(Mbaryon/Mgas)], ò. å. çàâèñèìîñòü log Z äëÿ êèñëîðîäà îò log [ln 1/µ)]. Ïîíÿòíî, ÷òî åñëè áû âñå ïðîèñõîäèëî ñîãëàñíî ïðîñòîé ìîäåëè õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè, òî â äàííûõ êîîðäèíàòàõ ïîëó÷èëàñü áû ïðÿìàÿ ëèíèÿ ñ íàêëîíîì 1 è ñâîáîäíûì ÷ëåíîì, ðàâíûì ëîãàðèôìó ýôôåêòèâíîãî âûõîäà. Ó âàí Çåå è Õàéíåñ ïîëó÷èëîñü âûòÿíóòîå îáëàêî òî÷åê, îãðàíè÷åííîå äâóìÿ ïðÿìûìè: îäíà, ïðîõîäÿùàÿ ïðèìåðíî ÷åðåç òðåòü âñåõ òî÷åê, ñîîòâåòñòâóåò òåîðåòè÷åñêîìó âûõîäó êèñëîðîäà; äðóãàÿ ñìåùåíà âíèç íà 0,6 dex. Òî åñòü òðåòü âñåõ íåïðàâèëüíûõ ãàëàêòèê ýâîëþöèîíèðóåò ïî ñöåíàðèþ çàìêíóòîé ñèñòåìû, à îñòàëüíûå èìåþò â 3–4 ðàçà ìåíüøèé ýôôåêòèâíûé âûõîä. È âîò ÷òî âàæíî: èç òîé æå ñàìîé êàðòèíêè ìîæíî îöåíèòü, â êàêèõ èìåííî ãàëàêòèêàõ ïîíèæåí âûõîä êèñëîðîäà: â òåõ, ãäå ìíîãî ãàçà, èëè â òåõ, ãäå åãî ìåíüøå? Îêàçûâàåòñÿ, â ãàëàêòèêàõ, ãäå ãàç ñîñòàâëÿåò 40% âñåé ìàññû, âûõîä êèñëîðîäà ïîíèæåí, à òàì, ãäå âñå 90%, — âûõîä êèñëîðîäà íîðìàëüíûé. Ýòà ñòàòèñòèêà îäíîçíà÷íî óêàçûâàåò, ÷òî â íåïðàâèëüíûõ ãàëàêòèêàõ ýôôåêòèâíûé âûõîä êèñëîðîäà ïîíè-
8.5. Ïîñëåäíèå äàííûå è ñâåæèå èäåè
349
Ðèñ. 8.9. Ñðàâíåíèå ñîäåðæàíèÿ ìåæçâåçäíîãî ãàçà (Mgas) îòíîñèòåëüíî ïîëíîé áàðèîííîé ìàññû ãàëàêòèêè (M baryon) è îáèëèÿ êèñëîðîäà îòíîñèòåëüíî âîäîðîäà (O/H) äëÿ êàðëèêîâûõ íåïðàâèëüíûõ ãàëàêòèê (èç ñòàòüè âàí Çåå è Õàéíåñ, 2006). Òî÷êè ñ «óñàìè» îøèáîê — íàáëþäàòåëüíûå äàííûå. 1 — ïðîãíîç ïðîñòîé ìîäåëè õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè, â êîòîðîé èñïîëüçîâàí òåîðåòè÷åñêè ðàññ÷èòàííûé «âûõîä» êèñëîðîäà ïðè ýâîëþöèè ìàññèâíûõ çâåçä (peff = 0,0074); 2 — òîò æå ïðîãíîç, íî ïðîèçâîëüíî ñäâèíóòûé äî çíà÷åíèÿ peff = 0,002 òàê, ÷òîáû «íàêðûòü» íàèáîëåå ïëîòíóþ ÷àñòü ðàñïðåäåëåíèÿ íàáëþäàåìûõ òî÷åê. Ïðè÷èíîé ñäâèãà ìîæåò áûòü êàê îòòîê ãàçà, áîãàòîãî êèñëîðîäîì, òàê è ïðèòîê ãàçà, áåäíîãî êèñëîðîäîì. Íà íèæíåé ïàíåëè ïîêàçàíî ðàñïðåäåëåíèå ãàëàêòèê ïî çíà÷åíèþ peff.
350
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
æàåòñÿ «îáîãàùåííûì ãàëàêòè÷åñêèì âåòðîì»: òîëüêî îí ñïîñîáåí îäíîâðåìåííî ïîíèçèòü âûõîä êèñëîðîäà è óìåíüøèòü îáùóþ ìàññó ãàçà â ãàëàêòèêå.  ñëó÷àå àêêðåöèè èçâíå âñå áûëî áû íàîáîðîò — ïîíèæåííûé âûõîä êèñëîðîäà ñîïðîâîæäàëñÿ áû ïîâûøåííûì ñîäåðæàíèåì ãàçà, êîòîðûé âñå âðåìÿ äîáàâëÿëñÿ áû â ãàëàêòèêó. Òî åñòü, â îòëè÷èå îò áîëåå ìàññèâíûõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê, ýâîëþöèÿ íåïðàâèëüíûõ ãàëàêòèê ïðîõîäèò â îñíîâíîì ïîä âëèÿíèåì óõîäà èç ãàëàêòèêè ãàçà, ðàçîãðåòîãî è âûáðîøåííîãî ìàññèâíûìè çâåçäàìè â ïðîöåññå âñïûøêè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ.  îòëè÷èå îò íåïðàâèëüíûõ ãàëàêòèê, êàðëèêîâûå ñôåðîèäàëüíûå ãàëàêòèêè âîîáùå ëèøåíû ãàçà. Èõ îòíîñèòåëüíî ãîëóáîé öâåò ñ ñàìîãî íà÷àëà ïûòàëèñü îáúÿñíèòü íå íàëè÷èåì ìîëîäûõ çâåçä, à íèçêîé ìåòàëëè÷íîñòüþ ñòàðûõ. Èç-çà îòñóòñòâèÿ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ è ñôåðîèäàëüíîé ôîðìû èõ ñ÷èòàëè ìàëåíüêèìè ðîäñòâåííèêàìè ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê, õîòÿ, ìåæäó ïðî÷èì, ó ãèãàíòñêèõ ýëëèïòè÷åñêèõ è êàðëèêîâûõ ñôåðîèäàëüíûõ ãàëàêòèê ðàçíàÿ ôîðìà ðàäèàëüíûõ ïðîôèëåé ïîâåðõíîñòíîé ÿðêîñòè: âîêóë¸ðîâñêèé çàêîí ó ïåðâûõ è ýêñïîíåíöèàëüíûé — ó âòîðûõ. Ê òîìó æå ó íèõ ðàçíîå «ìàñøòàáíîå ñîîòíîøåíèå» (scaling relation): ó ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê-ãèãàíòîâ ÷åì âûøå ñâåòèìîñòü, òåì ìåíüøå ñðåäíÿÿ ïîâåðõíîñòíàÿ ÿðêîñòü, à ó êàðëèêîâ — íàîáîðîò. Íåñìîòðÿ íà ýòî, ñíà÷àëà âñå èññëåäîâàòåëè ñòàðàëèñü ïîäîáðàòü äëÿ äâóõ ýòèõ òèïîâ ñôåðîèäàëüíûõ ãàëàêòèê îáùèé ñöåíàðèé ôîðìèðîâàíèÿ — íå÷òî âðîäå ìîíîëèòíîãî êîëëàïñà ïðîòîãàëàêòè÷åñêîãî îáëàêà. Äåéñòâèòåëüíî, â ðàìêàõ ìîäåëè ìîíîëèòíîãî êîëëàïñà ñ îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ (íîâîðîæäåííûå çâåçäû ðàçîãðåâàþò ãàç è ýòèì ïîäàâëÿþò çâåçäîîáðàçîâàíèå) óäàâàëîñü îáúÿñíèòü, ïî÷åìó ÷åì ìàññèâíåå ñôåðîèäàëüíàÿ ãàëàêòèêà, òåì áîãà÷å ìåòàëëàìè åå çâåçäû. Îáúÿñíåíèå âûãëÿäåëî òàê: êîãäà âíóòðè ñôåðîèäàëüíîé ãàëàêòèêè íà÷èíàåòñÿ çâåçäîîáðàçîâàíèå, ïåðâîå æå ïîêîëåíèå ñâåðõíîâûõ íàãðåâàåò ãàç. Åñëè ãàëàêòèêà ìàññèâíàÿ, îíà ñìîæåò ñâîåé ãðàâèòàöèåé óäåðæàòü íàãðåòûé ãàç, ïîýòîìó ïîñëå ïåðâîé âîëíû ñâåðõíîâûõ è ïîñëåäóþùåãî îñòûâàíèÿ ãàçà çâåçäîîáðàçîâàíèå áóäåò ïðîäîëæàòüñÿ, è áóäåò ïðîäîëæàòüñÿ ñèíòåç òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ. Åñëè æå ãàëàêòèêà ìàëîìàññèâíàÿ, òî ãðàâèòàöèîííàÿ ïîòåíöèàëüíàÿ ÿìà â íåé íåãëóáîêàÿ, è ïåðâûé æå íàãðåâ ãàçà çâåçäíûì âåòðîì è âçðûâàìè ñâåðõíîâûõ ïðèâåäåò ê óõîäó ãàçà èç ãàëàêòèêè è îêîí÷àòåëüíîìó çàâåðøåíèþ ôîðìèðîâàíèÿ çâåçä. Èòàê, ïî ëîãèêå âåùåé, ÷åì ìåíüøå ãàëàêòèêà, òåì ðàíüøå â íåé äîëæíî ïðåêðàòèòüñÿ çâåçäîîáðàçîâàíèå, à çíà÷èò, íå ñìîæåò âîç-
8.5. Ïîñëåäíèå äàííûå è ñâåæèå èäåè
351
íèêíóòü ïîêîëåíèå çâåçä, çàìåòíî îáîãàùåííûõ òÿæåëûìè ýëåìåíòàìè, ñèíòåçèðîâàííûìè â èõ ïðåäêàõ. Òàê ìîæåò óñòàíîâèòüñÿ êîððåëÿöèÿ ìàññà—ìåòàëëè÷íîñòü. Îäíàêî ïîñëåäíèå ïîäðîáíûå äàííûå î õèìè÷åñêîì ñîñòàâå è âîçðàñòàõ çâåçä â êàðëèêîâûõ ñôåðîèäàëüíûõ ãàëàêòèêàõ, ÷ëåíàõ íàøåé Ìåñòíîé ãðóïïû, íàðóøèëè ñòðîéíîñòü ýòîé êàðòèíû. Îêàçàëîñü, ÷òî ïåðèîäû îñíîâíîãî çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â êàðëèêîâûõ ñôåðîèäàëüíûõ ãàëàêòèêàõ äëèëèñü î÷åíü äîëãî: îò 2–5 ìëðä ëåò ó äàëåêèõ è îòíîñèòåëüíî èçîëèðîâàííûõ ÷ëåíîâ Ìåñòíîé ãðóïïû (Cetus, Tucana) äî 8–12 ìëðä ëåò ó áëèçêèõ ñïóòíèêîâ íàøåé ãàëàêòèêè (Fornax, Carina). Íàïîìíèì, ÷òî ó ãèãàíòñêèõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê âñå èõ çâåçäû îáðàçîâàëèñü ìåíåå ÷åì çà 1 ìëðä ëåò! Êàê âèäèì, âñå îêàçàëîñü íàîáîðîò: ÷åì ìàññèâíåå ñôåðîèäàëüíàÿ ãàëàêòèêà, òåì ìåíüøå âðåìåíè â íåé ïðîäîëæàëîñü çâåçäîîáðàçîâàíèå. Ñ âîçðàñòîì ìåíÿåòñÿ è õèìè÷åñêèé ñîñòàâ èíäèâèäóàëüíûõ çâåçä â êàðëèêîâûõ ñôåðîèäàëüíûõ ãàëàêòèêàõ: èõ ìåòàëëè÷íîñòü óâåëè÷èâàåòñÿ — ìåäëåííî, íî ïðè ýòîì êóäà áûñòðåå, ÷åì â äèñêå íàøåé ãàëàêòèêè. Ñ ðîñòîì ìåòàëëè÷íîñòè ïàäàåò îòíîøåíèå îáèëèé àëüôà-ýëåìåíòîâ è æåëåçà; â êîíöå îñíîâíîé ýïîõè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â êàðëèêîâûõ ñôåðîèäàëüíûõ ãàëàêòèêàõ óæå ôîðìèðóþòñÿ çâåçäû ñ ñîëíå÷íûì ñîîòíîøåíèåì ýëåìåíòîâ. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî â ýòèõ êàðëèêîâûõ ãàëàêòèêàõ çâåçäîîáðàçîâàíèå ïî÷åìó-òî íå ïðåêðàùàåòñÿ ïîñëå ïåðâîé âîëíû âçðûâîâ ñâåðõíîâûõ — «îáðàòíàÿ ñâÿçü» ïî÷åìó-òî íå ñðàáàòûâàåò, ãàç íå óõîäèò, ïî êðàéíåé ìåðå íå óõîäèò äàëåêî.  íåêîòîðûõ ãàëàêòèêàõ çâåçäû ïðîäîëæàëè ðîæäàòüñÿ åùå ìèëëèàðä ëåò íàçàä. À ïî÷åìó ðîæäåíèå çâåçä òàì âñå-òàêè ïðåêðàùàåòñÿ, ïî÷åìó ñåé÷àñ ìû íå âèäèì ãàçà â êàðëèêîâûõ ñôåðîèäàëüíûõ ãàëàêòèêàõ? Ïîõîæå, ÷òî ãàç ïîêèäàåò êàðëèêîâûå ãàëàêòèêè íå ïîä âëèÿíèåì âçðûâîâ ñâåðõíîâûõ, à â ðåçóëüòàòå ïðèëèâíîãî ãðàâèòàöèîííîãî ýôôåêòà. Êîãäà ñïóòíèê ïðèáëèæàåòñÿ ê ìàññèâíîé ãàëàêòèêå-õîçÿèíó èëè êîãäà êàðëèêîâàÿ ãàëàêòèêà ïîëÿ âõîäèò â ìàññèâíóþ ãðóïïó è ñòàíîâèòñÿ åå ÷ëåíîì, ãðàâèòàöèîííûå ñèëû ñïîñîáíû îáîäðàòü ãàç ñ ïåðèôåðèè êàðëèêîâîé ãàëàêòèêè. À åñëè âîêðóã õîçÿéñêîé ãàëàêòèêè èëè â ãðóïïå ãàëàêòèê åñòü åùå è ãîðÿ÷àÿ ãàçîâàÿ ñðåäà, òî ñðàáîòàåò è ëîáîâîå äàâëåíèå. Ïîõîæå, ÷òî ó ñïóòíèêîâ íàøåé ãàëàêòèêè íåò ãàçà ïî òîé æå ïðè÷èíå, ïî÷åìó åãî íåò ó ãàëàêòèê â öåíòðå ñêîïëåíèÿ Virgo: ýôôåêò ïëîòíîñòè îêðóæåíèÿ. Êñòàòè, êàðëèêîâûå ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè ñêîïëåíèÿ Virgo ïðè áëèæàéøåì ðàññìîòðåíèè îêàçàëèñü çíà÷èòåëüíî ìîëîæå, ÷åì
352
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
ãèãàíòñêèå ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè òîãî æå ñêîïëåíèÿ, äà è ñðåäíåå ñîîòíîøåíèå ìàãíèÿ è æåëåçà â èõ çâåçäàõ — ñîëíå÷íîå. Äëÿ îáúÿñíåíèÿ èõ ïðîèñõîæäåíèÿ ñåé÷àñ ðàçðàáàòûâàåòñÿ ñöåíàðèé îáäèðàíèÿ áàðèîííîãî âåùåñòâà — êàê ãàçà, òàê è çâåçä — ñî ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê ïîçäíèõ òèïîâ ïðè èõ ïåðâîì ïðîõîæäåíèè ÷åðåç öåíòð ñêîïëåíèÿ. Ïðè ýòîì ïîòåðÿ èìè áàðèîííîé ìàññû ìîæåò ñîñòàâëÿòü äî 99%. Òàê ÷òî êàðëèêîâûå ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè ïî ñâîåìó ïðîèñõîæäåíèþ ìîãóò áûòü âîâñå è íå ýëëèïòè÷åñêèìè… 8.5.2. Ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè Èäåÿ î òîì, ÷òî ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè ñôîðìèðîâàëèñü ïóòåì áîëüøîãî ìåðæèíãà, ïëîäîòâîðíî ðàáîòàëà 30 ëåò, ñòèìóëèðóÿ ïîïûòêè îáúÿñíèòü õàîòè÷åñêóþ êèíåìàòèêó çâåçä â îáúåêòàõ ýòîãî êëàññà. Íî íûíå, ïîõîæå, ýòà èäåÿ èñ÷åðïàëà ñâîé ïîòåíöèàë è äîëæíà óñòóïèòü ìåñòî äðóãîìó ñöåíàðèþ. Ñðàçó íåñêîëüêî ñâåæèõ íàáëþäàòåëüíûõ ôàêòîâ ïðîòèâîðå÷àò áîëüøîìó ìåðæèíãó êàê äîìèíèðóþùåìó ìåõàíèçìó ôîðìèðîâàíèÿ ãèãàíòñêèõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê. Ðàíåå ìû óæå îòìå÷àëè ïðîòèâîðå÷èâîñòü âûáîðà ìåæäó «ñóõèì» è «ìîêðûì» âàðèàíòàìè áîëüøîãî ìåðæèíãà. Ïðè ñóõîì ìåðæèíãå, òî åñòü ïðè ñëèÿíèè äâóõ óæå ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê, ñîõðàíÿåòñÿ ñòàðûé âîçðàñò çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ, íî çàòî íå âîçíèêàåò èçâåñòíàÿ èç íàáëþäåíèé çàâèñèìîñòü «ìàññà—ìåòàëëè÷íîñòü»: âåäü ïðè óâåëè÷åíèè ìàññû âäâîå ïðîäóêò ìåðæèíãà ñîõðàíÿåò ìåòàëëè÷íîñòü ãàëàêòèê-ðîäèòåëåé. À ïðè «ìîêðûõ» ñëèÿíèÿõ ñ ó÷àñòèåì ãàçà íåèçáåæíà âñïûøêà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ è îìîëîæåíèå çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ, êîòîðîå íå íàáëþäàåòñÿ â ðåàëüíûõ áëèçêèõ ê íàì ãèãàíòñêèõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèêàõ. Âïðî÷åì, ó ýòîãî ñöåíàðèÿ åñòü è áîëåå òÿæåëûå ïðîáëåìû. Ñóùåñòâóþò ïðÿìûå íàáëþäàòåëüíûå ïðîòèâîðå÷èÿ ìåæäó ïðåäñêàçàíèÿìè ñöåíàðèÿ áîëüøîãî ìåðæèíãà è ñâîéñòâàìè áëèçêèõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê.  ïðåæíèå ãîäû ñâîéñòâà çâåçäíûõ íàñåëåíèé îïðåäåëÿëèñü èç íàáëþäåíèé òîëüêî ëèøü ÿðêèõ öåíòðàëüíûõ îáëàñòåé ãàëàêòèê. Íî â ïîñëåäíåå âðåìÿ ïîâûñèëàñü òî÷íîñòü îïðåäåëåíèÿ ïàðàìåòðîâ çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ (R) îò öåíòðîâ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê è âûÿñíèëîñü, ÷òî ãðàäèåíòû ìåòàëëè÷íîñòè âäîëü ðàäèóñà, äëÿ êîòîðûõ ìîäåëè ïðåäñêàçûâàþò â öåëîì ëèíåéíóþ çàâèñèìîñòü îò log R, íà ñàìîì äåëå âåñüìà íåëèíåéíû.  öåíòðàëüíûõ ÷àñòÿõ ãàëàêòèê, âíóòðè ïðèìåðíî ïîëîâèíû ýôôåêòèâíîãî ðàäèóñà, ãðàäèåíòû êðóòûå, à âî âíåøíèõ ÷àñòÿõ — ïîëîãèå, âî ìíî-
8.5. Ïîñëåäíèå äàííûå è ñâåæèå èäåè
353
ãèõ ñëó÷àÿõ ïðàêòè÷åñêè íóëåâûå. Ýëëèïòè÷åñêàÿ ãàëàêòèêà êàê áû ñîñòîèò èç äâóõ ÷àñòåé — âíóòðåííåé è âíåøíåé, èìåþùèõ ðàçíîå ïðîèñõîæäåíèå. Äåëî â òîì, ÷òî ïðè áîëüøîì ìåðæèíãå ðàäèàëüíûå ãðàäèåíòû ñâîéñòâ çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ çàìûâàþòñÿ: çâåçäû ðàçíûõ ãàëàêòèê, æèâøèå íà ðàçíûõ ðàññòîÿíèÿõ îò èõ öåíòðîâ, ñèëüíî ïåðåìåøèâàþòñÿ â êîíå÷íîì êîíãëîìåðàòå. Ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî ãðàäèåíòû ìåòàëëè÷íîñòè êðó÷å ÷åì 0,3 dex per dex (ò. å. âäâîå íà ïðîòÿæåíèè îäíîãî ïîðÿäêà ïî R, íàïðèìåð ìåæäó R = 5² è R = 50²) íå ìîãóò âîçíèêíóòü â ïðîäóêòå áîëüøîãî ìåðæèíãà. Åñëè íàáëþäàåìûé ãðàäèåíò êðó÷å, çíà÷èò, ãàëàêòèêà çàâåäîìî íå èñïûòûâàëà áîëüøèõ ñëèÿíèé íà ïðîòÿæåíèè âðåìåíè, ñðàâíèìîãî ñ âîçðàñòîì åå çâåçäíîãî íàñåëåíèÿ. Ïðîñòîé ïðèìåð: íàëèâàÿ ìîëîêî â ñòàêàí ñ êðåïêèì ÷àåì, âû íå ïîëó÷èòå ðåçêîé ãðàíèöû ìåæäó áåëîé è òåìíîé æèäêîñòÿìè. Ðàçäåëåíèå ãàëàêòèêè íà äâå ðàäèàëüíûå çîíû, õàðàêòåðèçóþùèåñÿ ðàçíûì ãðàäèåíòîì ìåòàëëè÷íîñòè, êàê áû íàìåêàåò íà äâóõñòàäèéíûé ïðîöåññ ôîðìèðîâàíèÿ ñîâðåìåííûõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê.  íàøåé ñîâìåñòíîé ñ áåëüãèéñêèì àñòðîíîìîì Ìàðòèíîì Áàåñîì ñòàòüå (Baes et al., 2007) ïðåäëîæåí íîâûé ñöåíàðèé: öåíòðàëüíàÿ ÷àñòü ýëëèïòè÷åñêîé ãàëàêòèêè ôîðìèðóåòñÿ ìîíîëèòíûì êîëëàïñîì íà ðàííåé ñòàäèè ýâîëþöèè, íà êðàñíûõ ñìåùåíèÿõ z > 2, ÷òî îáúÿñíÿåò êðóòûå âíóòðåííèå ãðàäèåíòû ìåòàëëè÷íîñòè, à ïîçæå íà ýòó «çàòðàâêó» ïàäàþò ìàëûå ñïóòíèêè; òàê ïîñòåïåííûé ïðîöåññ ìíîæåñòâåííûõ ìàëûõ ñëèÿíèé ôîðìèðóåò âíåøíèå ÷àñòè ãèãàíòñêîé ýëëèïòè÷åñêîé ãàëàêòèêè. Ïîñëåäóþùèå íàáëþäàòåëüíûå îáçîðû ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê íà z = 1,5–2,5 ïîçâîëèëè äðóãèì èññëåäîâàòåëÿì íåçàâèñèìî ïðèéòè ê òî÷íî òàêîé æå êàðòèíå ýâîëþöèè ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê. Îêàçàëîñü, ÷òî ãèãàíòñêèå ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè â ýïîõó z = 1,5–2,5 èìåëè î÷åíü ìàëåíüêèé ðàçìåð è î÷åíü âûñîêóþ ïëîòíîñòü çâåçä: èõ õàðàêòåðíûé ðàçìåð áûë ïðèìåðíî â 6 ðàç ìåíüøå, à ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü çâåçä â ñîòíè ðàç áîëüøå ÷åì ó ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê òàêîé æå ìàññû â íàøó ýïîõó (z = 0). Ïîñêîëüêó ðå÷ü èäåò îá î÷åíü ìàññèâíûõ ãàëàêòèêàõ (M > 1011 MA òîëüêî â âèäå çâåçä), òî ìåõàíèçì áîëüøîãî ìåðæèíãà ê ýòèì îáúåêòàì ïðèìåíÿòü íåëüçÿ: õîòÿ áîëüøîé ìåðæèíã è «ðàçäóâàåò» çâåçäíûå ñèñòåìû, ðàäèóñ ïðè ýòîì óâåëè÷èâàåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî ìàññå. Åñëè áû ñóùåñòâîâàâøèå ïðè z = 2 êîìïàêòíûå ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè íà÷àëè ñëèâàòüñÿ äðóã ñ äðóãîì â ðåæèìå «ðàâíûé ñ ðàâíûì», òî ïðè z = 0 ñðåäè îáúåêòîâ ñ ïðàâèëüíûìè ðàçìåðàìè ìû èìåëè áû îãðîìíîå êîëè÷åñòâî ãàëàêòèê ñ
354
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
áîëåå ìàññèâíûì çâåçäíûì êîìïîíåíòîì, ÷åì 1012 MA. Íî òàêîãî âîêðóã íàñ ïðîñòî íåò.  ïîèñêàõ ìåõàíèçìà, êîòîðûé ìîæåò ñèëüíî óâåëè÷èòü ðàäèóñ çâåçäíîé ñèñòåìû ïðè óìåðåííîì ðîñòå åå ìàññû, òåîðåòèêè îñòàíîâèëèñü íà ìàëîì ìåðæèíãå: ïðè ìíîæåñòâåííîì ñëèïàíèè íåáîëüøèõ ðûõëûõ ñèñòåì ðàäèóñ êîíãëîìåðàòà ðàñòåò êàê êâàäðàò ìàññû, è òîãäà ê ýïîõå z = 0 ýâîëþöèÿ ñõîäèòñÿ ê «ïðàâèëüíîìó» ìàñøòàáíîìó ñîîòíîøåíèþ. Èäåþ, ÷òî ñ ïîìîùüþ ìàëîãî ìåðæèíãà ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè íàäñòðàèâàþò ñâîè âíåøíèå ÷àñòè, ïîääåðæàëè íàáëþäåíèÿ äàëåêèõ ãàëàêòèê, èçîáðàæåíèÿ êîòîðûõ óäàëîñü ïîëó÷èòü ñ âûñîêèì ïðîñòðàíñòâåííûì ðàçðåøåíèåì. Îêàçàëîñü, ÷òî åñëè çàãëÿíóòü â öåíòðàëüíûå îáëàñòè äàëåêèõ ãàëàêòèê, îãðàíè÷åííûå ðàäèóñîì â 1 êïê, òî âûÿñíèòñÿ, ÷òî êàê ðàç öåíòðàëüíàÿ ïëîòíîñòü ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê ïðîýâîëþöèîíèðîâàëà íå òàê óæ è ñèëüíî: ìåæäó ýïîõàìè z = 2 è z = 0 îíà óìåíüøèëàñü âñåãî â 2–3 ðàçà, à íå íà äâà ïîðÿäêà, êàê ñðåäíÿÿ çâåçäíàÿ ïëîòíîñòü âíóòðè ýôôåêòèâíîãî ðàäèóñà ýòèõ ãàëàêòèê. Îòñþäà åñòåñòâåííûì îáðàçîì ðîæäàåòñÿ êàðòèíà äâóõ ýòàïîâ ôîðìèðîâàíèÿ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê: ñíà÷àëà, â ýïîõó z > 2, âîçíèêëè êîìïàêòíûå ïëîòíûå «çàðîäûøè», êîòîðûå â äàëüíåéøåì ïîñëóæèëè îñíîâîé öåíòðàëüíûõ îáëàñòåé ãàëàêòèê, à çàòåì, ïîãëîùàÿ ëåòàâøèå âîêðóã íèõ ìåëêèå ñïóòíèêè, ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè óìåíüøàëè ñâîþ ïëîòíîñòü è óâåëè÷èâàëè ðàäèóñ, íàäñòðàèâàÿ ñâîè âíåøíèå ÷àñòè. Ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî äëÿ «ïðàâèëüíîé» ýâîëþöèè òèïè÷íîé ìàññèâíîé ýëëèïòè÷åñêîé ãàëàêòèêå äîñòàòî÷íî çà ïîñëåäíèå 8 ìëðä ëåò «óðîíèòü» íà ñåáÿ 8 ± 2 ñïóòíèêîâ, â 10 ðàç ìåíåå ìàññèâíûõ ïî ñðàâíåíèþ ñ «õîçÿèíîì». 8.4.3. Äèñêîâûå ãàëàêòèêè Ñïèðàëüíûå è ëèíçîâèäíûå ãàëàêòèêè — áåçóñëîâíûå ðîäñòâåííèêè: îíè îáëàäàþò ñõîäíîé ñòðóêòóðîé. È ó òåõ è ó äðóãèõ åñòü êðóïíîìàñøòàáíûå çâåçäíûå äèñêè, à â èõ öåíòðàõ — ñôåðîèäàëüíûå áàëäæè. Ðàäèàëüíûé ïðîôèëü ïîâåðõíîñòíîé ÿðêîñòè I(r) è ó òåõ è ó äðóãèõ â äèñêå ýêñïîíåíöèàëüíûé [I(r) µ exp(–r/re)], à â áàëäæå — ñåðñèêîâñêèé, ò. å. ïðåäëîæåííûé àðãåíòèíñêèì àñòðîíîìîì Õîñå Ëóèñîì Ñåðñèêîì (Sérsic J. L.) â âèäå çàâèñèìîñòè I(r) µ exp[–(r/re)1/n], ñî ñðåäíèì ïîêàçàòåëåì ñòåïåíè n = 2.  ÷åì æå òîãäà ðàçëè÷èå ìåæäó íèìè?  äèñêàõ ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèê, â îòëè÷èå îò ñïèðàëüíûõ, êàê ïðàâèëî, íåò ãàçà è, ñëåäîâàòåëüíî, íåò çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Êðîìå ýòîãî, åñòü ðàçíèöà â òèïè÷íîì ìåñòå îáèòàíèÿ ýòèõ ãàëàêòèê: ñïèðàëüíûå îáû÷íî ïðèñóòñòâóþò «â ïîëå», ò. å. òàì, ãäå ãàëàêòèêè ðàñïîëàãàþòñÿ
8.5. Ïîñëåäíèå äàííûå è ñâåæèå èäåè
355
îòíîñèòåëüíî ðàçðåæåííî, à ëèíçîâèäíûå ñîñòàâëÿþò áîëüøèíñòâî â áîãàòûõ ãðóïïàõ è â ñêîïëåíèÿõ ãàëàêòèê.  ïîïûòêå ýâîëþöèîííî ñâÿçàòü ýòè äâà òèïà ãàëàêòèê ìûñëü èññëåäîâàòåëåé äî ñèõ ïîð ðàáîòàëà â îäíîì íàïðàâëåíèè: äàâàéòå óáåðåì ãàç èç äèñêà ñïèðàëüíîé ãàëàêòèêè, òîãäà çâåçäîîáðàçîâàíèå ïðåêðàòèòñÿ è ÷èñòî çâåçäíûé äèñê äèíàìè÷åñêè ðàçîãðååòñÿ; òàê èç ñïèðàëüíîé ãàëàêòèêè ñ òîíêèì ãîëóáûì äèñêîì ïîëó÷èòñÿ ëèíçîâèäíàÿ ãàëàêòèêà ñ òîëñòûì êðàñíûì äèñêîì. Ëèíçîâèäíûå ãàëàêòèêè äîìèíèðóþò â ïëîòíîì îêðóæåíèè? Îòëè÷íî: çíà÷èò, ãàç óõîäèò èç äèñêîâ ãàëàêòèê ïîä äåéñòâèåì îêðóæåíèÿ. Ýòà ïðîñòàÿ ëîãèêà ýêñïëóàòèðîâàëàñü ïîñëåäîâàòåëüíî è íàñòîé÷èâî ïîñëåäíèå òðè äåñÿòêà ëåò; ñöåíàðèé ôîðìèðîâàíèÿ ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèê — ÷óòü ëè íå åäèíñòâåííîå, ÷òî íå èçìåíèëîñü ñóùåñòâåííî çà ïîñëåäíèå äåñÿòèëåòèÿ. Äåéñòâèòåëüíî, åñëè âû ïîñìîòðèòå íà ïðàâóþ ÷àñòü ñõåìû ôàêòîðîâ ýâîëþöèè (ðèñ. 8.4), òî çàìåòèòå, ÷òî ìíîãèå âíåøíèå ïðîöåññû, êàê áûñòðûå, òàê è ìåäëåííûå, áûëè «ïðèäóìàíû» òåîðåòèêàìè äëÿ îáúÿñíåíèÿ ñâîéñòâ ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèê. Åñëè ñïèðàëüíóþ ãàëàêòèêó ñ õîëîäíûì ãàçîì â äèñêå «óðîíèòü» â áîãàòóþ ãðóïïó èëè â ñêîïëåíèå ãàëàêòèê ñ ãîðÿ÷åé ìåæçâåçäíîé ñðåäîé, òî ëîáîâîå äàâëåíèå ýòîé ñðåäû óäàëèò õîëîäíûé ãàç èç âíåøíèõ ÷àñòåé äèñêà ëåòÿùåé ñïèðàëè, à ãðàâèòàöèîííûå ïðèëèâû îò ïðîëåòàþùèõ ìèìî ãàëàêòèê âîçìóòÿò äâèæåíèå êàê îñòàòêîâ ãàçà â äèñêå, òàê è ñàì çâåçäíûé äèñê, è ñèñòåìó îêðóæàþùèõ åãî ãàëàêòèê-ñïóòíèêîâ. (Ýòî íàïîìèíàåò ïðèëèâíîå âîçìóùåíèå êîìåòíîãî îáëàêà Îîðòà çâåçäàìè, ïðîëåòàþùèìè ìèìî Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû.)  ðåçóëüòàòå çíà÷èòåëüíàÿ ÷àñòü ãàçà, îñòàâøåãîñÿ â äèñêå, óïàäåò â åãî öåíòð è «ñãîðèò» â êîðîòêîé, íî ýôôåêòèâíîé âñïûøêå çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, à çâåçäíûé äèñê, ëèøåííûé ãàçà, ðàçîãðååòñÿ è ñòàíåò óñòîé÷èâûì îòíîñèòåëüíî ñïèðàëüíûõ âîçìóùåíèé ïëîòíîñòè: ñïèðàëüíûå ðóêàâà èñ÷åçíóò, à ñïóòíèêè áûñòðî ïîïà2äàþò íà ðîäèòåëüñêóþ ãàëàêòèêó, åùå áîëåå ðàçîãðåâàÿ åå çâåçäíûé äèñê. Êðîìå òîãî, â ïëîòíîì îêðóæåíèè ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèê íå ìîæåò áûòü âíåøíåé ïëàâíîé àêêðåöèè íà íèõ õîëîäíîãî ãàçà: âíåøíèå õîëîäíûå ïîòîêè íå âûæèâàþò â ãîðÿ÷åé ìåæãàëàêòè÷åñêîé ñðåäå, èñïàðÿþòñÿ, à ñîáñòâåííûå âíåøíèå ðåçåðâóàðû õîëîäíîãî ãàçà, åñëè ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà òàêîâûìè îáëàäàëà, áóäóò ñîðâàíû ñ íåå ãðàâèòàöèîííûìè ïðèëèâàìè îò îáùåãî ïîòåíöèàëà ñêîïëåíèÿ è îò îòäåëüíûõ ñîñåäíèõ ãàëàêòèê. Ýòîò ñöåíàðèé, êàçàëîñü áû, ïîëó÷èë òâåðäîå íàáëþäàòåëüíîå îáîñíîâàíèå, êîãäà â 1990-å ãã. ñ ïîìîùüþ êîñìè÷åñêîãî òåëåñêîïà
356
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
Ðèñ. 8.10. Äîëÿ ãàëàêòèê ðàçëè÷íîãî ìîðôîëîãè÷åñêîãî òèïà â ñêîïëåíèÿõ è ãðóïïàõ íà ðàçíûõ êðàñíûõ ñìåùåíèÿõ (z) ïî äàííûì ðàçíûõ îáçîðîâ. Íà îñíîâå ðèñóíêà èç ñòàòüè Wilman et al., 2009.
«Õàááë» áûë ïðîâåäåí îáçîð ìîðôîëîãè÷åñêèõ òèïîâ ãàëàêòèê â ñêîïëåíèÿõ íà ðàçíûõ êðàñíûõ ñìåùåíèÿõ, âïëîòü äî z = 0,8. Ýòî ïðîäåëàëà êîìàíäà çíàìåíèòîãî èññëåäîâàòåëÿ ñêîïëåíèé Àëàíà Äðåñëåðà
8.5. Ïîñëåäíèå äàííûå è ñâåæèå èäåè
357
(A. Dressler), êîòîðûé åùå â 1980 ã. âïåðâûå óáåäèòåëüíî óñòàíîâèë ñâÿçü «ìîðôîëîãèÿ — ïëîòíîñòü îêðóæåíèÿ» â áëèçêèõ ñêîïëåíèÿõ ãàëàêòèê. Êîãäà êîìàíäà Äðåñëåðà ïðîêëàññèôèöèðîâàëà ãàëàêòèêè â äàëåêèõ ñêîïëåíèÿõ òàê æå, êàê îíà ýòî äåëàëà ðàíåå â áëèçêèõ ñêîïëåíèÿõ (ò. å. ãëÿäÿ íà ôîòîãðàôèè ãëàçîì!), îêàçàëîñü, ÷òî ïðè êðàñíîì ñìåùåíèè z = 0,4 ðåçêî ìåíÿåòñÿ äîìèíèðóþùèé òèï ãàëàêòèê â ñêîïëåíèÿõ.  òî âðåìÿ êàê ïðè z < 0,4 â ñêîïëåíèÿõ äîìèíèðóþò ëèíçîâèäíûå ãàëàêòèêè, ñîñòàâëÿÿ 50–60% âñåãî íàñåëåíèÿ, ïðè z > 0,5 áîëüøèíñòâî â ñêîïëåíèÿõ ñîñòàâëÿþò ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè, à äîëÿ ëèíçîâèäíûõ ïàäàåò äî 15–20%, êàê â ïîëå. Ïðè ýòîì äîëÿ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê â ñêîïëåíèÿõ îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé, îêîëî 30%, âî âñåì èññëåäîâàííîì äèàïàçîíå z. Îáíàðóæèâ, ÷òî ñî âðåìåíåì äîëè ñïèðàëüíûõ è ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèê â ñêîïëåíèÿõ èçìåíÿþòñÿ â ïðîòèâîôàçå, èññëåäîâàòåëè óâåðèëèñü, ÷òî îíè âèäÿò ìîìåíò ìàññîâîãî ïðåâðàùåíèÿ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê â ëèíçîâèäíûå. Ïðè÷åì ïðîèñõîäèò ýòî èìåííî òîãäà, êîãäà íà÷èíàþò (ïî îáùåïðèíÿòîìó êîñìîëîãè÷åñêîìó ñöåíàðèþ) óïëîòíÿòüñÿ è îáîñîáëÿòüñÿ ìàññèâíûå ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê, à ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè ïîëÿ â áîëüøîì êîëè÷åñòâå ïðèòÿãèâàþòñÿ ê ýòèì ñêîïëåíèÿì è ïàäàþò â èõ ìàññèâíûå òåìíûå ãàëî.  òå ãîäû êëþ÷åâûì òåðìèíîì â îïèñàíèè ýâîëþöèè äèñêîâûõ ãàëàêòèê ñòàëî ñëîâî quenching (ãàøåíèå, çàêàëêà), íàìåêàþùåå íà ïðèíóäèòåëüíîå ïðåêðàùåíèå çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. Ñ ïîìîùüþ quenching’à ñòàëè íå òîëüêî îïèñûâàòü ôîðìèðîâàíèå ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèê, íî è ìåõàíèçì ïåðåõîäà ãàëàêòèê íà äèàãðàììå «öâåò—ñâåòèìîñòü» èç «ãîëóáîãî îáëàêà» íà «êðàñíóþ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü» — èìåííî â òàêîì íàïðàâëåíèè, à íèêàê íå â îáðàòíîì! Âñå ñïåöèàëèñòû â òå ãîäû ïûòàëèñü âûÿñíèòü, êîãäà, ãäå è ïîä äåéñòâèåì êàêèõ èìåííî ôèçè÷åñêèõ ìåõàíèçìîâ ýòîò «quenching» ïðîèñõîäèò â ðåàëüíîé Âñåëåííîé. Êðàñíîå ñìåùåíèå z = 0,4 — ýòî ìîìåíò 4 ìëðä ëåò íàçàä. Åñëè ñïðàâåäëèâ îïèñàííûé âûøå ñöåíàðèé, òî â áëèçêèõ ê íàì (ò. å. ñîâðåìåííûõ) ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèêàõ âñåãî 4 ìëðä ëåò íàçàä åùå øëî çâåçäîîáðàçîâàíèå. Ñëåäîâàòåëüíî, â äèñêàõ ýòèõ ãàëàêòèê ìû äîëæíû îáíàðóæèòü çâåçäû ïðîìåæóòî÷íîãî âîçðàñòà. Èìåííî ýòî è íàäî áûëî ñäåëàòü â ïåðâóþ î÷åðåäü äëÿ ïðîâåðêè èäåè quenching’à. Ìû ýòî è ñäåëàëè ñ ïîìîùüþ ñïåêòðàëüíûõ íàáëþäåíèé íà 6-ìåòðîâîì òåëåñêîïå ÑÀÎ ÐÀÍ. Îäíîâðåìåííî ñ íàìè áîëåå îáøèðíóþ âûáîðêó ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèê èçó÷èëè è íàøè çàïàäíûå êîëëåãè, ïðîäåëàâøèå ôîòîìåòðè÷åñêèå èçìåðåíèÿ â øèðîêîì ñïåêòðàëüíîì äèàïàçîíå — îò ãîëóáûõ ëó÷åé â ôèëüòðå B äî áëèæíåãî èíôðàêðàñíîãî äèà-
358
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
ïàçîíà â ôèëüòðàõ H (1,6 êì) è Ks (2,2 ìêì). Ïðèëîæèâ ìåòîä ýâîëþöèîííîãî ñèíòåçà ê ñïåêòðàì è ê îïòè÷åñêèì è èíôðàêðàñíûì öâåòàì âíåøíèõ îáëàñòåé äèñêîâ áëèçêèõ ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèê, ìû îäíîâðåìåííî îáíàðóæèëè, ÷òî ó ìíîãèõ èç ýòèõ ãàëàêòèê äèñêè ñòàðûå: ñðåäíèé âîçðàñò èõ çâåçä ïðåâûøàåò 10 ìëðä ëåò. Ýòîìó âîçðàñòó ñîîòâåòñòâóåò êðàñíîå ñìåùåíèå z = 2, òàê ÷òî ïðè z = 0,5 â ýòèõ äèñêàõ ñîâåðøåííî òî÷íî íå øëî êðóïíîìàñøòàáíîå çâåçäîîáðàçîâàíèå! Ñòðîéíûé ñöåíàðèé ïðåâðàùåíèÿ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê â ëèíçîâèäíûå ðàññûïàëñÿ íà ãëàçàõ… Íè÷åãî ñòðàøíîãî. Ïðîñòî íóæíî ïîïûòàòüñÿ ñôîðìóëèðîâàòü íîâûé ñöåíàðèé ýâîëþöèè, êîòîðûé ó÷òåò âñå íîâûå íàáëþäàòåëüíûå äàííûå. Íàïðèìåð, ïî÷åìó âñå ðåøèëè, ÷òî ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè, äîìèíèðóþùèå â ñêîïëåíèÿõ ïðè z > 0,5, ïîçæå ïðåâðàòèëèñü èìåííî â ëèíçîâèäíûå? Ìåæäó ïðî÷èì, ïðèìåðíî â ýòîò ïåðèîä, ïðè z < 0,7, â ñêîïëåíèÿõ íà÷èíàåò àêòèâíî äîñòðàèâàòüñÿ ìàëîìàññèâíûé «õâîñò» êðàñíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè — äî ýòîãî ìîìåíòà êðàñíûìè áûëè òîëüêî ìàññèâíûå ãàëàêòèêè. Íåëüçÿ ëè ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè, àêòèâíî îáäèðàåìûå â ñêîïëåíèÿõ âñåìè âíåøíèìè ìåõàíèçìàìè âîçäåéñòâèÿ, ïðåâðàùàëèñü èìåííî â ñôåðîèäàëüíûå êàðëèêè, à íèêàê íå â ãèãàíòñêèå ëèíçîâèäíûå ãàëàêòèêè? Ñôåðîèäàëüíûõ êàðëèêîâ â ñêîïëåíèÿõ òîæå î÷åíü ìíîãî, è äëÿ íèõ òîæå ñåé÷àñ ñôîðìóëèðîâàí ñöåíàðèé ïðîèñõîæäåíèÿ èç ãàëàêòèê ïîçäíèõ òèïîâ, à ñâîéñòâà èõ çâåçäíûõ íàñåëåíèé, íàïðèìåð ñîëíå÷íîå îòíîøåíèå ìàãíèÿ ê æåëåçó, êóäà áîëüøå ïîäõîäÿò äëÿ ýòîãî ñöåíàðèÿ, ÷åì ñâîéñòâà çâåçäíûõ íàñåëåíèé ëèíçîâèäíûõ ãàëàêòèê. Êàê âñåãäà, ñàìàÿ ïîäðîáíàÿ è ñîäåðæàòåëüíàÿ èíôîðìàöèÿ î âîçìîæíûõ ïóòÿõ ýâîëþöèè äèñêîâûõ ãàëàêòèê ìîæåò áûòü íàéäåíà â íàøåé ñîáñòâåííîé ãàëàêòèêå. Ó íàñ ñóùåñòâóþò òîíêèé çâåçäíûé äèñê è òîëñòûé çâåçäíûé äèñê. Ìîëîäûå çâåçäû åñòü òîëüêî â òîíêîì äèñêå, îäíàêî ñàìûå ñòàðûå çâåçäû òîíêîãî äèñêà èìåþò âîçðàñò 9–10 ìëðä ëåò. Ó òåõ çâåçä òîíêîãî äèñêà, êîòîðûå èìåþò ïîëíóþ ìåòàëëè÷íîñòü, áëèçêóþ ê ñîëíå÷íîé, îòíîøåíèå àëüôà-ýëåìåíòîâ ê æåëåçó òîæå ñîëíå÷íîå — îíè ñôîðìèðîâàëèñü â òå÷åíèå äëèòåëüíîãî ïåðèîäà ïðèìåðíî ïîñòîÿííîé èíòåíñèâíîñòè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ.  çâåçäàõ òîëñòîãî äèñêà îòíîøåíèå àëüôà-ýëåìåíòîâ ê æåëåçó íå ñîëíå÷íîå äàæå â çâåçäàõ ñ îáùèì îáèëèåì òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ, áëèçêèì ê ñîëíå÷íîìó; îíî ñîîòâåòñòâóåò êîðîòêîé ýïîõå ôîðìèðîâàíèÿ ýòîé çâåçäíîé ñòðóêòóðû, à âîçðàñò çâåçä â òîëñòîì äèñêå — 12–13 ìëðä ëåò. Òàêèå îñîáåííîñòè õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà è òàêîå ñîîòíîøåíèå âîçðàñòîâ çâåçäíûõ ñòðóêòóð óêëàäûâàþòñÿ â ñöåíàðèé, ñîãëàñíî êî-
8.5. Ïîñëåäíèå äàííûå è ñâåæèå èäåè
359
òîðîìó ïåðâûì áûñòðî ñôîðìèðîâàëñÿ òîëñòûé çâåçäíûé äèñê. Ïîòîì áûë ïåðåðûâ â çâåçäîîáðàçîâàíèè, â òå÷åíèå ïðèìåðíî 2–3 ìëðä ëåò, à çàòåì çâåçäîîáðàçîâàíèå âîçîáíîâèëîñü, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ïîñòåïåííî ñôîðìèðîâàëñÿ òîíêèé äèñê. Íî ýòî îçíà÷àåò, ÷òî íàøà Ãàëàêòèêà 11–12 ìëðä ëåò íàçàä, â ýïîõó z > 2, áûëà ëèíçîâèäíîé! Íàáëþäåíèÿ íà z > 2 ïîêàçûâàþò, ÷òî òàì/òîãäà çâåçäîîáðàçîâàíèå èäåò â ãåîìåòðè÷åñêè òîëñòûõ äèñêàõ — èç-çà òîãî, ÷òî òóðáóëåíòíîñòü â ãàçîâîì êîìïîíåíòå î÷åíü âåëèêà. Åñëè ïîäåëèòü íàáëþäàåìîå â äèñêîâûõ ãàëàêòèêàõ ïðè z > 2 ñîäåðæàíèå ãàçà íà èõ æå òåìï çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, òî ïîëó÷èòñÿ âðåìÿ èñ÷åðïàíèÿ ãàçà (è ïðåêðàùåíèÿ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ) âñåãî íåñêîëüêî ñîòåí ìèëëèîíîâ ëåò. Âîò îíà, êîðîòêàÿ è ìîùíàÿ âñïûøêà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â òîëñòîì äèñêå! Ïîñëå íåå äîëæíà îñòàòüñÿ ëèíçîâèäíàÿ ãàëàêòèêà — ñ òîëñòûì çâåçäíûì äèñêîì áåç çâåçäîîáðàçîâàíèÿ. À åùå ÷åðåç íåñêîëüêî ìèëëèàðäîâ ëåò ýòà ãàëàêòèêà ìîæåò ïîëó÷èòü ïðèòîê õîëîäíîãî ãàçà èçâíå, íà÷àòü ôîðìèðîâàòü òîíêèé äèñê è… ñòàòü ñïèðàëüíîé. À ìîæåò íå ïîëó÷èòü ïðèòîêà õîëîäíîãî ãàçà èçâíå — è òîãäà îñòàíåòñÿ ëèíçîâèäíîé. Íàäî ëè íàïîìèíàòü, ÷òî ñàìûå áîëüøèå ïðîáëåìû ñ ïðèòîêîì õîëîäíîãî ãàçà èçâíå áóäóò êàê ðàç â ïëîòíîì îêðóæåíèè, ãäå ãàçîäèíàìè÷åñêèå è ãðàâèòàöèîííûå ýôôåêòû îáäèðàþò ãàçîâûå ðåçåðâóàðû è ãðåþò õîëîäíûé ãàç íà «ïîäëåòå» ê ãàëàêòèêå? Ïîòîìó â ñîâðåìåííûõ ñêîïëåíèÿõ òàê ìàëî ãàëàêòèê ñïèðàëüíûõ è òàê ìíîãî ãàëàêòèê ëèíçîâèäíûõ… Âðåìÿ ïîêàæåò, íàñêîëüêî ýòîò íîâûé ñöåíàðèé æèçíåñïîñîáåí. Ãëàâíîå — ïðîäîëæàòü èññëåäîâàíèÿ, âåäü ýòî òàê èíòåðåñíî!
Ëèòåðàòóðà Äæèíñ Äæ. Âñåëåííàÿ âîêðóã íàñ. Ë.; Ì.: ÃÒÒÈ. 1932. Baes M., Sil’chenko O. K., Moiseev A. V., Manakova E. A. Metallicity and age gradients in round elliptical galaxies // Astron. Astrophys. 2007. Vol. 467. P. 991–1001. Barnes J. E., Hernquist L. Dynamics of interacting galaxies // Ann. Rev. Astron. Astrophys. 1992. Vol. 30. P. 705. http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Barnes/frames. html. Blanton M. R., Moustakas J. Physical properties and environments of nearby galaxies // Ann. Rev Astron. Astrophys. 2009. Vol. 47. P. 159. arXiv:0908.3017. Gott J. R. III, Recent theories of galaxy formation // Ann. Rev. Astron. Astrophys. 1977. Vol. 15. P. 235. Governato F. et al., 2012. http://apod.nasa.gov/apod/ap120717.html; http://www. astro.washington.edu/users/fabio/movies.html; http://www.youtube.com/ watch?v=h9za1CP9ImA.
360
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê
Kennicutt R. C. Star formation in galaxies along the Hubble sequence // Ann. Rev. Astron. Astrophys. 1998. Vol. 36. P. 189. http://ned.ipac.caltech.edu/level5/ Sept02/ Kennicutt/frames.html. Kormendy J., Kennicutt R. C. Secular evolution and the formation of pseudobulges in disk galaxies // Ann. Rev Astron. Astrophys. 2004. Vol. 42. P. 603. http://ned.ipac. caltech.edu/level5/March10/Kormendy/frames.html. Matteucci F. Chemical evolution of the Milky Way and its satellites // Lectures of the 37th Saas-Fee Advanced Course of the Swiss Society for Astrophysics and Astronomy. 2008. arXiv:0804.1492. Renzini A. Stellar population diagnostics of elliptical galaxy formation // Ann. Rev. Astron. Astrophys. 2006. Vol. 44. P. 141. arXiv:astro-ph/0603479. Sandage A. Classification and stellar content of galaxies obtained from direct photography // Galaxies and the Universe. Eds A. Sandage, M. Sandage, J. Kristian, 1975. http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sandage/frames.html. Tolstoy E., Hill V., Tosi M. Star-formation histories, abundances, and kinematics of dwarf galaxies in the Local Group // Ann. Rev. Astron. Astrophys. 2009. Vol. 47. P. 371. http://ned.ipac.caltech.edu/level5/March11/Tolstoy/frames.html. Trager S. C., Faber S. M., Worthey G., González J. J. The Stellar Population Histories of Early-Type Galaxies. II. Controlling Parameters of the Stellar Populations // Astron. J. 2000. Vol. 120. P. 165. Van der Kruit P. C., Freeman K. C. Galaxy Disks // Ann. Rev. Astron. Astrophys. 2011. Vol. 49. P. 301. arXiv:1101.1771. Van Zee L., Haynes M. P. Oxygen and Nitrogen in Isolated Dwarf Irregular Galaxies // Astrophys. J. 2006. Vol. 636. P. 214. Wilman D. J., Oemler A., Mulchaey J. S., McGee S. L., Balogh M. L., Bower R. G. Morphological Composition of z ~ 0.4 Groups: The Site of S0 Formation // Astrophys. J. 2009. Vol. 692. P. 298.
Ãëàâà
ÀÊÒÈÂÍÛÅ ßÄÐÀ ÃÀËÀÊÒÈÊ È ÊÂÀÇÀÐÛ Á. Â. Êîìáåðã, Ñ. Â. Ðåïèí
9.1. Ïåðâûå 10 ëåò ýðû êâàçàðîâ 9.1.1. Äî êâàçàðîâ Êàê íåðåäêî áûâàåò â íàóêå, ìåæäó îòêðûòèåì ôåíîìåíà è ïîíèìàíèåì åãî ìåñòà â ðÿäó äðóãèõ ÿâëåíèé ìîæåò ïðîéòè íå îäíî äåñÿòèëåòèå. Òàê ñëó÷èëîñü è ñ îáíàðóæåíèåì àêòèâíîñòè ÿäåð ãàëàêòèê, êîòîðàÿ íàáëþäàëàñü åùå â íà÷àëå ÕÕ â., êîãäà è ñàìî ñóùåñòâîâàíèå äðóãèõ ãàëàêòèê íå áûëî äîêàçàíî. Íàïðèìåð, ôîòîãðàôèðóÿ òóìàííûå îáúåêòû èç êàòàëîãà Ìåññüå, àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì Ãåáåð ʸðòèñ ïîëó÷èë â 1916 ã. èçîáðàæåíèå òóìàííîñòè M87, êîòîðàÿ, êàê òåïåðü èçâåñòíî, ÿâëÿåòñÿ ãèãàíòñêîé ýëëèïòè÷åñêîé ãàëàêòèêîé è ðàñïîëàãàåòñÿ â öåíòðàëüíîé ÷àñòè ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê â Äåâå. Íà ýòîì ñíèìêå ïî÷òè ñòîëåòíåé äàâíîñòè âèäíà óçêàÿ ñòðóÿ, ðàñïàäàþùàÿñÿ íà îòäåëüíûå ïÿòíà è âûõîäÿùàÿ ïðÿìî èç öåíòðà ãàëàêòèêè (ñîâðåìåííûå ôîòî ñì. íà ðèñ. 9.3 è 9.4). À åùå ðàíüøå, íà÷èíàÿ ñ 1908 ã., Ýäâàðä Ôýò (E. A. Fath, ÑØÀ) íàáëþäàë îáúåêòû ñ ýìèññèîííûìè ëèíèÿìè â ñïåêòðå, ê ÷èñëó êîòîðûõ îòíîñÿòñÿ, êàê âûÿñíèëîñü ÷åðåç 35 ëåò, è íåêîòîðûå ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè ñî çâåçäîïîäîáíûìè ÿäðàìè. Ñ íà÷àëà 1940-õ ãã. èõ ïîäðîáíî èññëåäîâàë Êàðë Ñåéôåðò (ÑØÀ). Îí íàøåë îêîëî äþæèíû ãàëàêòèê, â ñïåêòðå ÿäåð êîòîðûõ ïðèñóòñòâóþò î÷åíü øèðîêèå ëèíèè èçëó÷åíèÿ: Ha, Hb, [O III] è äð. Åñëè øèðèíó ýòèõ ëèíèé èíòåðïðåòèðîâàòü êàê ýôôåêò Äîïëåðà, îíà ñâèäåòåëüñòâóåò î äâèæåíèè ãîðÿ÷èõ îáëàêîâ ãàçà â ÿäðàõ ýòèõ ãàëàêòèê ñî ñêîðîñòÿìè òûñÿ÷è è äàæå äåñÿòêè òûñÿ÷ êèëîìåòðîâ â ñåêóíäó. Åñòåñòâåííî, çà ãàëàêòèêàìè ñ òàêèìè íåîáû÷íûìè ñïåêòðàìè çàêðåïèëîñü íàçâàíèå «ñåéôåðòîâñêèõ».  1936–1940 ãã. Ôðèö Öâèêêè è Ìèëòîí Õüþìàñîí ïðîâåëè îáçîð âûñîêîøèðîòíûõ ïëîùàäîê íåáà äî 15m è îáíàðóæèëè ìíîãî ãîëóáûõ çâåçäî÷åê, ïðèíàäëåæàùèõ ïîïóëÿöèè áåäíûõ ìåòàëëàìè êàðëèêîâûõ çâåçä êîðîíû íàøåé Ãàëàêòèêè. Îíè çàìåòèëè, ÷òî ÷èñëî òàêèõ
9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû 362
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
çâåçä ñèëüíî âîçðàñòàåò ïðè óìåíüøåíèè èõ ñâåòèìîñòè, è ïëàíèðîâàëè ïðîâåñòè áîëåå ãëóáîêèé îáçîð (äî 20m). Âïîñëåäñòâèè âûÿñíèëîñü, ÷òî ñðåäè ýòèõ «çâåçäî÷åê» áûëè ãîëóáûå êîìïàêòíûå ãàëàêòèêè, ñåéôåðòîâñêèå ãàëàêòèêè è äàæå îäèí î÷åíü áëèçêèé êâàçàð (HZ 46, z = 0,045). Ñ ñåðåäèíû 1950-õ ãã. ê îïòè÷åñêèì äàííûì îá àêòèâíûõ ãàëàêòèêàõ ñòàëè äîáàâëÿòüñÿ ðåçóëüòàòû ðàäèîàñòðîíîìè÷åñêèõ íàáëþäåíèé.  1950 ã. Äæ. Áîëòîí îòîæäåñòâèë äâà èñòî÷íèêà ðàäèîèçëó÷åíèÿ ñ Êðàáîâèäíîé òóìàííîñòüþ Ðèñ. 9.1. Êàðë Êèíàí Ñåéôåðò (1911–1960). â Òåëüöå è ãàëàêòèêîé NGC 5128 â Êåíòàâðå, à â 1954 ã. Âàëüòåð Áààäå è Ðóäîëüô Ìèíêîâñêèé (ÑØÀ) îòîæäåñòâèëè íåêîòîðûå ÿðêèå äèñêðåòíûå ðàäèîèñòî÷íèêè ñ áëèçêèìè ãàëàêòèêàìè â ñîçâåçäèÿõ Ëåáåäü è Äåâà. Ýòè îáúåêòû ïîëó÷èëè îáîçíà÷åíèÿ ñîîòâåòñòâåííî Taurus A, Centaurus A, Cygnus A è Virgo A. Áóêâà «A» ãîâîðèò çäåñü î òîì, ÷òî èñòî÷íèê ÿâëÿåòñÿ ñàìûì ðàäèîÿðêèì â óêàçàííîì ñîçâåçäèè. Ñ îáíàðóæåíèåì ýòèõ îáúåêòîâ â àñòðîíîìèþ âîøëî ïîíÿòèå «ðàäèîãàëàêòèêà», ò. å. ãàëàêòèêà, ìîùíîñòü ðàäèîèçëó÷åíèÿ êîòîðîé ñðàâíèìà ñ ìîùíîñòüþ åå îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ.  òîì æå ãîäó ïî ïðîñüáå èçâåñòíîãî àñòðîôèçèêà È. Ñ. Øêëîâñêîãî ìîñêîâñêèé àñòðîíîì Ï. Í. Õîëîïîâ (ÃÀÈØ) ïðåäïðèíÿë ïîèñê îïòè÷åñêîãî àíàëîãà ðàäèîèñòî÷íèêà â Ïå÷è (For A) è îòîæäåñòâèë åãî ñ ÿðêîé ýëëèïòè÷åñêîé ãàëàêòèêîé (ðèñ. 11 öâåòíîé âêëàäêè). Òàê êàê âñå ýòè ãàëàêòèêè âûãëÿäåëè â òîé èëè èíîé ñòåïåíè ïåêóëÿðíûìè (íåòèïè÷íûìè), ñíà÷àëà èññëåäîâàòåëè ðåøèëè, ÷òî èõ ìîùíîå ðàäèîèçëó÷åíèå îáóñëîâëåíî ñòîëêíîâåíèÿìè ñ äðóãèìè ãàëàêòèêàìè. Ïîçæå îò ýòîé ãèïîòåçû îòêàçàëèñü, íî, êàê âûÿñíÿåòñÿ, çðÿ, òàê êàê ýòà ãèïîòåçà, óæå íà äðóãîì óðîâíå ïîíèìàíèÿ ïðîáëåìû, âíîâü áûëà âîñòðåáîâàíà: îêàçàëîñü, ÷òî ñòîëêíîâåíèå ãàëàêòèê ñïîñîáñòâóåò ïîÿâëåíèþ àêòèâíîñòè â èõ ÿäðàõ. Äèðåêòîð Áþðàêàíñêîé îáñåðâàòîðèè â Àðìåíèè Âèêòîð Àìàçàñïîâè÷ Àìáàðöóìÿí, ñîáðàâ âîåäèíî âñå èçâåñòíûå ê ñåðåäèíå 1950-õ ãã. ôàêòû î íåîáû÷íûõ ñâîéñòâàõ ÿäåð íåêîòîðûõ ãàëàêòèê, âûñòóïèë íà ÕI Ñîëüâååâñêîì êîíãðåññå 1958 ã. ñ äîêëàäîì, â êîòîðîì ïðåäïîëîæèë ñóùåñòâîâàíèå â ïðèðîäå îñîáûõ «D-òåë», îòâåòñòâåííûõ çà àêòèâ-
9.1. Ïåðâûå 10 ëåò ýðû êâàçàðîâ
363
íîñòü ÿäåð ãàëàêòèê. Ïðè ýòîì îí äîïóñêàë, ÷òî è ñàìè ãàëàêòèêè ðîæäàþòñÿ â ðåçóëüòàòå âçðûâîâ òàêèõ D-òåë. Ïî ïðåäëîæåíèþ Àìáàðöóìÿíà èñêàòü íåçâåçäíîå èçëó÷åíèå D-òåë íàäî áûëî â ãîëóáîé ÷àñòè ñïåêòðà. Ïðè÷åì ñíà÷àëà ðå÷ü øëà î D-òåëàõ â çâåçäàõ, à íå â ÿäðàõ ãàëàêòèê. Ïîèñê ãîëóáûõ ãàëàêòèê íà÷àë ìåêñèêàíñêèé àñòðîíîì Ãèëüåðìî Àðî â 1954 ã., à â 1960 ã. ñ áîëüøèì ðàçìàõîì ê ýòîé ðàáîòå ïðèñòóïèë ñîòðóäíèê Áþðàêàíñêîé îáñåðâàòîðèè Áåíèàìèí Åãèøåâè÷ Ìàðêàðÿí. Îí íà÷àë ñèñòåìàòè÷åñêèé ïîèñê ãàëàêòèê, ó êîòîðûõ Ðèñ. 9.2. Àêàäåìèê Â. À. Àìöâåò íå ñîîòâåòñòâîâàë èõ ìîðôîëîãèáàðöóìÿí (1908–1996). ÷åñêîìó òèïó, ñ öåëüþ ïîñëåäóþùåãî èçó÷åíèÿ èõ ñïåêòðîâ. Òàê áûëè íàéäåíû ãàëàêòèêè ñ ãîëóáûìè èçáûòêàìè öâåòà; òåïåðü èõ íàçûâàþò «ìàðêàðÿíîâñêèìè». Ñðåäè íèõ îêàçàëîñü îêîëî 10% ñåéôåðòîâñêèõ ãàëàêòèê, à îñòàëüíûå — ãàëàêòèêè ñî âñïûøêàìè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, ÷òî ñàìî ïî ñåáå òîæå î÷åíü èíòåðåñíî. Îñòàâëÿÿ â ñòîðîíå âçãëÿäû Àìáàðöóìÿíà íà ïðèðîäó àêòèâíîñòè ÿäåð ãàëàêòèê è èõ ðîëü â ïðîöåññå ôîðìèðîâàíèÿ ñàìèõ ãàëàêòèê, ñëåäóåò ïîä÷åðêíóòü, ÷òî åãî ðàáîòû, áåçóñëîâíî, ïðèâëåêëè âíèìàíèå àñòðîíîìîâ ê ïðîáëåìå àêòèâíîñòè ÿäåð. Ïîýòîìó ê ìîìåíòó îáíàðóæåíèÿ êâàçàðîâ (1963 ã.) — ýòèõ ñàìûõ ìîùíûõ, ñàìûõ êîìïàêòíûõ è ÷ðåçâû÷àéíî äàëåêèõ îáúåêòîâ Ìåòàãàëàêòèêè — óæå áûëà ïîäãîòîâëåíà áàçà äëÿ èõ âêëþ÷åíèÿ â ïîïóëÿöèþ, ïîëó÷èâøóþ íàçâàíèå ãàëàêòèê ñ àêòèâíûìè ÿäðàìè. Ñîáñòâåííî èñòî÷íèêè àêòèâíîñòè â òàêèõ ãàëàêòèêàõ îáû÷íî íàçûâàþò àêòèâíûìè ÿäðàìè ãàëàêòèê (ÀßÃ) èëè àêòèâíûìè ãàëàêòè÷åñêèìè ÿäðàìè (ÀÃß), ïî-àíãëèéñêè AGN (active galactic nuclei). 9.1.2. Îòêðûòèå êâàçàðîâ è èõ ñâîéñòâà Îòîæäåñòâëåíèå íåêîòîðûõ êîìïàêòíûõ ðàäèîèñòî÷íèêîâ ñ îïòè÷åñêèìè êâàçèçâåçäíûìè îáúåêòàìè ñ÷èòàåòñÿ îäíèì èç ñàìûõ çàìå÷àòåëüíûõ îòêðûòèé ñîâðåìåííîé íàáëþäàòåëüíîé àñòðîíîìèè. Íà ôîòîãðàôèÿõ, ïîëó÷åííûõ ñ áîëüøèìè òåëåñêîïàìè, ýòè îáúåêòû âûãëÿäÿò âñåãî ëèøü êàê ñëàáûå çâåçäîîáðàçíûå èçîáðàæåíèÿ, îäíàêî îíè
364
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Ðèñ. 9.3. Îäèí èç ëó÷øèõ íàçåìíûõ ñíèìêîâ ÿäðà ãèãàíòñêîé ýëëèïòè÷åñêîé ãàëàêòèêè Ì87 (îíà æå NGC 4486, îíà æå ðàäèîãàëàêòèêà Vir À), ðàñïîëîæåííîé â öåíòðå ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê â Äåâå (Virgo). Âèäåí îïòè÷åñêèé âûáðîñ (äæåò), âûõîäÿùèé èç öåíòðà ÿäðà è ïðîòÿíóâøèéñÿ ïî÷òè íà 2 êïê. Ðàäèóñ ñàìîé ãàëàêòèêè — îêîëî 150 êïê. Ôîòî: Îáñåðâàòîðèÿ Subaru (ßïîíèÿ).
èçëó÷àþò îãðîìíîå êîëè÷åñòâî ýíåðãèè â ðàäèîäèàïàçîíå. Ïåðâûì íàçâàíèåì, äàííûì ýòèì ñòðàííûì îáúåêòàì, áûëî êâàçèçâåçäíûå ðàäèîèñòî÷íèêè (quasi-stellar radio source), ÷àñòî ñîêðàùàâøååñÿ äî êâàçèçâåçäíûõ èñòî÷íèêîâ (QSS) èëè êâàçàðîâ (quasar). Ïîçæå óñòàíîâèëè, ÷òî ñóùåñòâóþò ìíîãî÷èñëåííûå çâåçäîîáðàçíûå îáúåêòû, ïî ñâîèì îïòè÷åñêèì ñâîéñòâàì ïîäîáíûå êâàçèçâåçäíûì ðàäèîèñòî÷íèêàì, Ðèñ. 9.4. Íàèáîëåå ÷åòêîå èçîáðàæåíèå íî áåç çàìåòíîãî ðàäèîèçëó÷åñòðóè, âûáðîøåííîé èç ÿäðà ãàëàêòèêè íèÿ. Èõ íàçûâàëè ïî-ðàçíîìó: Ì87, ïîëó÷åíî êîñìè÷åñêèì òåëåñêîïîì êâàçèçâåçäíûìè îáúåêòàìè, ãî«Õàááë» â ôåâðàëå 1998 ã. Ñâåòëûå òî÷êè — øàðîâûå çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ, ïðèíàäëå- ëóáûìè çâåçäíûìè îáúåêòàìè èëè êâàçèçâåçäíûìè ãàëàêòèêàæàùèå ýòîé ãàëàêòèêå.
9.1. Ïåðâûå 10 ëåò ýðû êâàçàðîâ
365
ìè.  íàøè äíè íåðåäêî èñïîëüçóþò íàçâàíèå êâàçèçâåçäíûå îáúåêòû (QSO) äëÿ âñåõ ýòèõ èñòî÷íèêîâ íåçàâèñèìî îò òîãî, èñïóñêàþò îíè ðàäèîèçëó÷åíèå èëè íåò. Èñòîðèÿ îáíàðóæåíèÿ êâàçàðîâ ïîó÷èòåëüíà êàê ñ òî÷êè çðåíèÿ ïðåîäîëåíèÿ äîãì (ðàíåå ñ÷èòàëîñü, ÷òî âñå âíåãàëàêòè÷åñêèå îáúåêòû äîëæíû íàáëþäàòüñÿ â âèäå ïðîòÿæåííûõ îáðàçîâàíèé — ãàëàêòèê), òàê è â êà÷åñòâå ÿðêîé èëëþñòðàöèè âûäàþùåéñÿ ðîëè ðàäèîàñòðîíîìèè â îáíàðóæåíèè àêòèâíûõ îáúåêòîâ. Ïðàâäà, ñíà÷àëà îáíàðóæåííûå ðàäèîèñòî÷íèêè ñ÷èòàÐèñ. 9.5. ×ëåí-êîððåñïîíäåíò ëèñü «ðàäèîçâåçäàìè» íàøåé ÃàëàêòèÀÍ ÑÑÑÐ Èîñèô Ñàìóèëîâè÷ êè, êîòîðûå ñâåòÿò çà ñ÷åò ñèíõðîòðîíØêëîâñêèé (1916–1985). íîãî ìåõàíèçìà — ñïèðàëåîáðàçíîãî äâèæåíèÿ ýëåêòðîíîâ â ìàãíèòíîì ïîëå çâåçäû (Alfvén, Herlofson, 1950). Ïîçæå, êîãäà ñòàëî ÿñíî, ÷òî â ìåæçâåçäíîé ñðåäå ãàëàêòèê íàïðÿæåííîñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ ìîæåò äîñòèãàòü 10–6 Ãñ, èäåÿ î ñèíõðîòðîííîì èçëó÷åíèè áûëà ïåðåíåñåíà è íà âíåãàëàêòè÷åñêèå ðàäèîèñòî÷íèêè.  1953 ã. È. Ñ. Øêëîâñêèé âûñêàçàë áëåñòÿùóþ èäåþ î ñèíõðîòðîííîé ïðèðîäå èçëó÷åíèÿ Êðàáîâèäíîé òóìàííîñòè â øèðîêîì äèàïàçîíå ñïåêòðà — îò ðàäèî äî ðåíòãåíà. Èäåÿ ïîäòâåðäèëàñü, êîãäà áûëà îáíàðóæåíà ïîëÿðèçàöèÿ îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ òóìàííîñòè (Â. Ë. Ãèíçáóðã, È. Ì. Ãîðäîí). Ïîçæå âûÿñíèëîñü, ÷òî íå òîëüêî Êðàá, íî è äðóãèå îñòàòêè âçðûâà ñâåðõíîâûõ â îñíîâíîì ñâåòÿòñÿ çà ñ÷åò äâèæåíèÿ ýëåêòðîíîâ â ìàãíèòíîì ïîëå.  1954 ã. Øêëîâñêèé ðàñïðîñòðàíèë ýòó ãèïîòåçó íà ïðèðîäó èçëó÷åíèÿ â âûáðîñå èç ÿäðà ãàëàêòèêè M87. È ýòî òîæå îêàçàëîñü âåðíî: Âàëüòåð Áààäå îáíàðóæèë ïîëÿðèçàöèþ ñâåòà îò âûáðîñà â M87. Íà îñíîâå òåîðèè ñèíõðîòðîííîãî èçëó÷åíèÿ Øêëîâñêèé îöåíèë âåëè÷èíó ìàãíèòíîãî ïîëÿ è ýíåðãèþ ðåëÿòèâèñòñêèõ ýëåêòðîíîâ, îòâåòñòâåííûõ çà èçëó÷åíèå ðàäèîãàëàêòèê.  1962 ã. îí ïðèøåë ê âûâîäó, ÷òî äàëåêèå ìîëîäûå ãàëàêòèêè, ïåðåæèâàþùèå ïåðâóþ âñïûøêó çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, äîëæíû áûòü î÷åíü ÿðêèìè â îïòèêå è ðàäèî èç-çà âûñîêîé ÷àñòîòû âñïûøåê ñâåðõíîâûõ çâåçä â íèõ. Îñòàâàëñÿ âñåãî îäèí øàã äî ïðåäñêàçàíèÿ ñóùåñòâîâàíèÿ êâàçàðîâ. Ýòîò øàã áûë ñäåëàí íàáëþäàòåëÿìè.
366
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Ðèñ. 9.6. Êâàçàð 3C 273 (îòìå÷åí â öåíòðå êàäðà), îäèí èç ñàìûõ ÿðêèõ è áëèçêèõ ê íàì. Òåì íå ìåíåå íà îïòè÷åñêîé ôîòîãðàôèè ñ ðàññòîÿíèÿ 749 Ìïê îí âûãëÿäèò êàê ðÿäîâàÿ çâåçäà 13m. Ôîòî: Anthony Ayiomamitis.
Ðèñ. 9.7. Êðóïíîìàñøòàáíûå ñíèìêè êâàçàðà 3Ñ 273. Âûáðîøåííàÿ èç åãî öåíòðà ñòðóÿ ïðîòÿíóëàñü ïî÷òè íà 60 êïê (óãëîâàÿ ïðîòÿæåííîñòü 23²). Îïòè÷åñêîå ôîòî (ñëåâà) ïîëó÷åíî òåëåñêîïîì «Õàááë»; ðåíòãåíîâñêîå èçîáðàæåíèå — ñïóòíèêîì «×àíäðà» (NASA).
9.1. Ïåðâûå 10 ëåò ýðû êâàçàðîâ
367
Äåëî â òîì, ÷òî ê êîíöó 1950-õ ãã. ìíîãèå äèñêðåòíûå ðàäèîèñòî÷íèêè îñòàâàëèñü íåîòîæäåñòâëåííûìè è âñå åùå ñ÷èòàëèñü «ðàäèîçâåçäàìè»; äëÿ ïðîâåðêè ýòîãî ïðåäïîëîæåíèÿ òðåáîâàëèñü òî÷íûå êîîðäèíàòû ðàäèîèñòî÷íèêîâ, ÷òîáû ïîïûòàòüñÿ îòîæäåñòâèòü èõ ñ èçâåñòíûìè çâåçäàìè. Ðàäèîòåëåñêîïû òåõ ëåò äàâàëè î÷åíü ðàçìûòóþ êàðòèíêó, ïîýòîìó ïðèìåíÿëèñü «îáõîäíûå ìàíåâðû». Âåñüìà ýôôåêòèâíûì îêàçàëñÿ ìåòîä ïîêðûòèÿ Ëóíîé: íåáåñíàÿ ìåõàíèêà ïîçâîëÿåò òî÷íî âû÷èñëèòü ïîëîæåíèå ëóííîãî êðàÿ â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè. Íàáëþäàÿ íåñêîëüêî ðàç, â êàêèå ìîìåíòû Ðèñ. 9.8. Ïåðâîîòêðûâàòåëü ðàðàäèîèñòî÷íèê ñêðûâàëñÿ çà äèñêîì äèîêâàçàðîâ, ó÷åíèê ßíà Îîðòà, Ëóíû, óäàåòñÿ äîâîëüíî àêêóðàòíî îï- àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì Ìàðòèí Øìèäò. ðåäåëèòü åãî êîîðäèíàòû. Êàê òîëüêî â íà÷àëå 1960-õ ãã. àâñòðàëèéñêèå ðàäèîàñòðîíîìû, ïðèìåíèâ ìåòîä ïîêðûòèÿ Ëóíîé, ñòàëè ïîëó÷àòü òî÷íûå êîîðäèíàòû ðàäèîèñòî÷íèêîâ èç íàèáîëåå ïîëíîãî â òîò ìîìåíò Òðåòüåãî êåìáðèäæñêîãî ðàäèîêàòàëîãà (3Ñ), ñðàçó æå óäàëîñü îòîæäåñòâèòü íåêîòîðûå èç íèõ ñ îïòè÷åñêèìè îáúåêòàìè.  ÷àñòíîñòè, íà ìåñòå èñòî÷íèêà 3Ñ 273 îêàçàëàñü ãîëóáàÿ çâåçäî÷êà âåñüìà óìåðåííîãî áëåñêà (mv = 12,9) ñ óçêèì è äëèííûì êëî÷êîâàòûì âûáðîñîì (ðèñ. 9.6 è 9.7). Ðàñøèôðîâàòü ñïåêòð ýòîé çâåçäû óäàëîñü íå ñðàçó: â íåì áûëî ëèøü íåñêîëüêî øèðîêèõ ýìèññèîííûõ ëèíèé íà ñîâåðøåííî íåïðèâû÷íûõ ìåñòàõ. Êëþ÷ ê ðàçãàäêå ñïåêòðîâ êâàçàðîâ íàøåë àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì Ìàðòèí Øìèäò: îí äîãàäàëñÿ, ÷òî 4 ëèíèè èç 6 â ñïåêòðå îáúåêòà 3Ñ 273 ïðèíàäëåæàò âîäîðîäó è ÿâëÿþòñÿ îáû÷íîé ñåðèåé Áàëüìåðà (Ha, Hb, Hg è Hd), ñìåùåííîé â êðàñíóþ îáëàñòü íà îäèíàêîâóþ âåëè÷èíó Dl = l0 · 0,158. Ýòî ìîãëî îçíà÷àòü òîëüêî îäíî — îáúåêò 3Ñ 273 ÿâëÿåòñÿ âíåãàëàêòè÷åñêèì, è ëèíèè â åãî ñïåêòðå èñïûòàëè êîñìîëîãè÷åñêîå êðàñíîå ñìåùåíèå z º Dl/l0 = 0,158. Âñêîðå óäàëîñü îïðåäåëèòü êðàñíûå ñìåùåíèÿ è äëÿ äðóãèõ îòîæäåñòâëåííûõ ê ýòîìó âðåìåíè êâàçèçâåçäíûõ ðàäèîèñòî÷íèêîâ: 3Ñ 48, 3C 196, 3C 286. È êàæäûé ðàç ïîäòâåðæäàëñÿ âûâîä Øìèäòà î âíåãàëàêòè÷åñêîé ïðèðîäå ýòèõ êâàçàðîâ.
368
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Ðèñ. 9.9. Àëëàí Ñýíäèäæ (1926–2010) — ïåðâîîòêðûâàòåëü ðàäèîñïîêîéíûõ êâàçàðîâ.
 1965 ã. Àëëàí Ñýíäèäæ (ÑØÀ) îáíàðóæèë, ÷òî ñóùåñòâóþò è ïðàêòè÷åñêè íå èçëó÷àþùèå â ðàäèîäèàïàçîíå, «ðàäèîòèõèå» êâàçàðû — òàê íàçûâàåìûå êâàçèçâåçäíûå ãàëàêòèêè (ÊÇÃ, êâàçàãè, QSG), ïðè÷åì èõ ÷èñëî íà åäèíèöó ïëîùàäè íåáà çàìåòíî (â 50 ðàç) ïðåâûøàåò ÷èñëî ðàäèîêâàçàðîâ. Âìåñòå ýòè äâà òèïà ïîëó÷èëè íàçâàíèå êâàçèçâåçäíûõ îáúåêòîâ (QSO, ÊÇÎ). Îáíàðóæåíèå êâàçàðîâ ïîñòàâèëî ïåðåä àñòðîôèçèêàìè âîïðîñ îá èõ ïðèðîäå. Ïðåæäå âñåãî íóæíî áûëî ïîíÿòü, íàõîäÿòñÿ ëè êâàçàðû â íåäðàõ ãàëàêòèê, èëè ýòî «ãîëûå ÿäðà», èç êîòîðûõ ðîæäàþòñÿ ãàëàêòèêè, êàê ïîëàãàë Àìáàðöóìÿí, èëè æå íåêîòîðûå èç íèõ âûáðîøåíû ñ î÷åíü áîëüøèìè ñêîðîñòÿìè èç öåíòðàëüíûõ îáëàñòåé áëèçêèõ ãàëàêòèê, êàê ïðåäïîëàãàëè Äæ. Áåðáèäæ è Õ. Àðï. Ðàçãàäàòü ýòó çàãàäêó óäàëîñü òîëüêî ÷åðåç 10 ëåò, êîãäà Äæ. Êðèñòèàí óáåäèòåëüíî ïîêàçàë, ÷òî âîêðóã âñåõ îòíîñèòåëüíî áëèçêèõ êâàçàðîâ (z < 0,5) âèäíû ïðîòÿæåííûå îáëàñòè òèïè÷íîãî äëÿ çâåçäíûõ ãàëàêòèê öâåòà. Èíûìè ñëîâàìè, êâàçàðû íàõîäÿòñÿ â íåäðàõ «õîçÿéñêèõ ãàëàêòèê» (ðèñ. 9.11 è 9.12). Êîãäà áûëè ïîëó÷åíû ñïåêòðû ýòèõ ãàëàêòèê è èçìåðåíû êðàñíûå ñìåùåíèÿ èõ ëèíèé, ñòàëî îêîí÷àòåëüíî ÿñíî, ÷òî ýòî íå ñëó÷àéíûå ñîâïàäåíèÿ: ñêîðîñòè óäàëåíèÿ êâàçàðîâ è èõ õîçÿé-
9.1. Ïåðâûå 10 ëåò ýðû êâàçàðîâ
369
Ðèñ. 9.10. Ñïåêòð êâàçàðà 3Ñ 273 è ïîä íèì ëàáîðàòîðíûé ñïåêòð ñðàâíåíèÿ.  ñïåêòðå êâàçàðà íàèáîëåå çàìåòíû ëèíèè èçëó÷åíèÿ âîäîðîäà Hb, Hg, Hd (èçîáðàæåíèå íåãàòèâíîå, ïîýòîìó ëèíèè òåìíûå).  ëàáîðàòîðíîì ñïåêòðå îòìå÷åíî ïîëîæåíèå òåõ æå ëèíèé: êðàñíîå ñìåùåíèå ñîñòàâëÿåò Dl/l = 0,158.
ñêèõ ãàëàêòèê îêàçàëèñü îäèíàêîâûìè. Ñëåäîâàòåëüíî, êâàçàðû ñâÿçàíû ñ ÿäðàìè ìàññèâíûõ ãàëàêòèê, ïðè÷åì «ðàäèîãðîìêèå» êâàçàðû ðàñïîëàãàþòñÿ â ÿäðàõ ãèãàíòñêèõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê, à «ðàäèîòèõèå» — â ÿäðàõ ëèáî ñïèðàëüíûõ, ëèáî ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê, ÷àñòî ñî ñëåäàìè âçàèìîäåéñòâèÿ ñ ñîñåäÿìè. Êâàçàðû ïðåâîñõîäÿò ïî ñâåòèìîñòè ñâîè õîçÿéñêèå ãàëàêòèêè ïîðîé â ñîòíè è äàæå áîëåå ðàç, õîòÿ èõ ðàçìåðû â òûñÿ÷è è ñîòíè òûñÿ÷ ðàç ìåíüøå, ÷åì ó ãàëàêòèê. Ýòî ïðèâåëî Øêëîâñêîãî ê ïðåäïîëîæåíèþ, ÷òî êâàçàðû ìîãóò îêàçàòüñÿ ñèëüíî ïåðåìåííûìè â îïòèêå íà âðåìåíàõ ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ ëåò. È òàêàÿ ïåðåìåííîñòü äåéñòâèòåëüíî áûëà îáíàðóæåíà, âïåðâûå âñå ó òîãî æå 3Ñ 273. Ýòî îòêðûòèå â 1963 ã. ñäåëàëè ìîëîäûå ìîñêîâñêèå àñòðîíîìû Þ. Í. Åôðåìîâ è À. Ñ. Øàðîâ, âîñïîëüçîâàâøèñü ñíèìêàìè íåáà, íàêîïëåííûìè çà ìíîãî ëåò â ôîòîòåêå ÃÀÈØ. À åùå ÷åðåç äâà ãîäà ó÷åíèê Øêëîâñêîãî Ã. Á. Øîëîìèöêèé îáíàðóæèë ïåðåìåííîñòü ðàäèîïîòîêà îò êâàçàðà ÑÒÀ-102 ñ ïåðèîäîì îêîëî 100 ñóòîê, âûçâàâ ïåðåïîëîõ â ñðåäñòâàõ ìàññîâîé èíôîðìàöèè ïî ïîâîäó «áðàòüåâ ïî ðàçóìó». Êðèâàÿ áëåñêà îáúåêòà ÑÒÀ-102 áûëà äàæå âîñïðîèçâåäåíà â ãàçåòå «Ïðàâäà». Îäíàêî ðåçóëüòàò áûë íå ñëèøêîì íàäåæíûì, òàê ÷òî Øîëîìèöêèé äàæå íå âêëþ÷èë åãî â äîêòîðñêóþ äèññåðòàöèþ. 9.1.3. Ïåðâûå ìîäåëè êâàçàðîâ Àñòðîíîìè÷åñêîå ñîîáùåñòâî ñ ýíòóçèàçìîì âñòðåòèëî îòêðûòèå òàêîé íåîáû÷íîé ìåæãàëàêòè÷åñêîé ïîïóëÿöèè, êàê êâàçàðû, ïîñêîëüêó ýòî îáåùàëî ïðîðûâ â ïîíèìàíèè ïðèðîäû àêòèâíûõ ÿäåð ãàëàêòèê è â äåñÿòêè ðàç ðàñøèðÿëî ãðàíèöû íàáëþäàåìîé ÷àñòè Âñåëåí-
370
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Ðèñ. 9.11. Õîçÿéñêàÿ ãàëàêòèêà êâàçàðà 3C 273, ñôîòîãðàôèðîâàííàÿ êîñìè÷åñêèì òåëåñêîïîì «Õàááë». ßðêàÿ öåíòðàëüíàÿ îáëàñòü ãàëàêòèêè, ãäå ðàñïîëàãàåòñÿ ñàì êâàçàð, çàêðûòà ýêðàíîì çâåçäíîãî êîðîíîãðàôà. Òîëüêî òàê óäàåòñÿ çàìåòèòü âíåøíèå îáëàñòè ãàëàêòèêè, êîòîðûå ïî ÿðêîñòè çíà÷èòåëüíî óñòóïàþò åå àêòèâíîìó ÿäðó ñ êâàçàðîì.
Ðèñ. 9.12 Õîçÿéñêèå ãàëàêòèêè íåñêîëüêèõ êâàçàðîâ, óäàëåííûõ îò íàñ íà 400–900 Ìïê. Íåêîòîðûå èç íèõ — îáû÷íûå ñïèðàëüíûå (ñëåâà ââåðõó) èëè ýëëèïòè÷åñêèå (ñëåâà âíèçó) ãàëàêòèêè. Äðóãèå — ðåçóëüòàò ñòîëêíîâåíèÿ è ñëèÿíèÿ äâóõ ãàëàêòèê (â öåíòðå ââåðõó è âíèçó, ñïðàâà âíèçó). Ïðèëèâíûé «õâîñò» ó êâàçàðà 0316-346 (ââåðõó ñïðàâà) óêàçûâàåò íà òî, ÷òî ðÿäîì ñ ýòîé ãàëàêòèêîé íåäàâíî ïðîëåòåëà äðóãàÿ. Ôîòî: «Õàááë», NASA.
9.1. Ïåðâûå 10 ëåò ýðû êâàçàðîâ
371
íîé — Ìåòàãàëàêòèêè. Òåîðåòèêè, íå òåðÿÿ âðåìåíè, íà÷àëè ïðåäëàãàòü ðàçëè÷íûå ãèïîòåçû î ïðèðîäå êâàçàðîâ, ñòðåìÿñü îáúÿñíèòü èõ íàáëþäàåìûå ñâîéñòâà. ß. Á. Çåëüäîâè÷ è È. Ä. Íîâèêîâ (1964 ã.) äàëè íèæíþþ îöåíêó ìàññû êâàçàðà, èñõîäÿ èç ïðåäïîëîæåíèÿ, ÷òî îíà íå ìîæåò áûòü ìåíüøå ìàññû (M), íåîáõîäèìîé äëÿ ãðàâèòàöèîííîãî óäåðæàíèÿ ïëàçìû, ïîäâåðæåííîé äàâëåíèþ èçëó÷åíèÿ ñàìîãî êâàçàðà, — ýòî òàê íàçûâàåìûé ýääèíãòîíîâñêèé ïðåäåë ñâåòèìîñòè (â ñôåðè÷åñêè ñèììåòðè÷íîé ìîäåëè): LEdd =
4pGMm p c sT
= 1,38 · 1031 (M/MA) Âò = 3,3 · 104 LA (M/MA),
ãäå mp — ìàññà ïðîòîíà, c — ñêîðîñòü ñâåòà, G — ãðàâèòàöèîííàÿ ïîñòîÿííàÿ, sT — òîìñîíîâñêîå ñå÷åíèå ýëåêòðîíà. Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî ãðàâèòàöèÿ ïðèòÿãèâàåò ìàññèâíûå ïðîòîíû, à èçëó÷åíèå îòòàëêèâàåò ïëàçìó â îñíîâíîì ïóòåì òîìñîíîâñêîãî ðàññåÿíèÿ êâàíòîâ íà ýëåêòðîíàõ. Íèæíåé ãðàíèöåé îïòè÷åñêîé ñâåòèìîñòè êâàçàðîâ ïðèíÿòî ñ÷èòàòü àáñîëþòíóþ çâåçäíóþ âåëè÷èíó MB = –23m, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò îïòè÷åñêîé ñâåòèìîñòè î÷åíü êðóïíûõ ãàëàêòèê. Ïðè íîðìàëüíîì ñïåêòðå ýòî äàåò áîëîìåòðè÷åñêóþ (ïîëíóþ) ñâåòèìîñòü îêîëî 1038 Âò. Îòñþäà ñëåäóåò âûâîä î ìèíèìàëüíîé ìàññå êâàçàðà: M > 107 MA.  1964 ã. âåäóùèå òåîðåòèêè — Â. Ë. Ãèíçáóðã, Ë. Ì. Îçåðíîé, Ñ. È. Ñûðîâàòñêèé è äð. — íà÷àëè îáñóæäàòü âîçìîæíûå ìåõàíèçìû îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ êâàçàðîâ. È. Ñ. Øêëîâñêèé (1965 ã.) âûñêàçàë ïðåäïîëîæåíèå, ÷òî çà àêòèâíîñòü â ÿäðàõ ñåéôåðòîâñêèõ ãàëàêòèê îòâåòñòâåííû «ìèíè-êâàçàðû». Øèðîêî îáñóæäàëñÿ âîïðîñ î âîçìîæíîé âðåìåííóé øêàëå ñòîëü ìîùíîãî ýíåðãîâûäåëåíèÿ êâàçàðîâ. Áîëüøèíñòâî èññëåäîâàòåëåé ïðèøëî ê âûâîäó, ÷òî õàðàêòåðíîå âðåìÿ æèçíè êâàçàðà â åãî àêòèâíîé ñòàäèè âðÿä ëè ïðåâûøàåò 107 ëåò. Ýòî ñëåäóåò èç ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîîáðàæåíèé: çà 107 ëåò ñðåäíèé êâàçàð âûñâå÷èâàåò E ~ 1054 Äæ, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ïîëíîé ïåðåðàáîòêå â ýíåðãèþ M = E/c2 ~ 107 MA, òî åñòü çíà÷èòåëüíîé äîëè åãî ìàññû. Òàêîå æå õàðàêòåðíîå âðåìÿ ïîëó÷àåòñÿ èç ñîïîñòàâëåíèÿ ïðîñòðàíñòâåííûõ ïëîòíîñòåé ÷èñëà êâàçàðîâ è ÷èñëà ÿðêèõ ãàëàêòèê, åñëè ñ÷èòàòü, ÷òî îíè ãåíåòè÷åñêè ñâÿçàíû. Íà ïåðâûé âçãëÿä, 107 ëåò — íåáîëüøîå âðåìÿ äëÿ ìåæãàëàêòè÷åñêîãî îáúåêòà; âñåãî ëèøü 1/20 ïåðèîäà îáîðîòà íàøåé Ãàëàêòèêè. Íî è òàêîå îòíîñèòåëüíî íåáîëüøîå âðåìÿ îêàçàëîñü ñëèøêîì ïðîäîëæèòåëüíûì äëÿ íåêîòîðûõ ãèïîòåç î ôèçè÷åñêîé ïðèðîäå êâàçàðîâ. Âîò íåêîòîðûå èç íèõ.
372
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Îäíîé èç ïåðâûõ áûëà ìîäåëü êâàçàðà â âèäå ÷ðåçâû÷àéíî ìàññèâíîé «ñâåðõçâåçäû», ïðåäëîæåííàÿ â 1963 ã. Ô. Õîéëîì è Ó. Ôàóëåðîì, íî ó íåå îêàçàëîñü ìíîãî íåäîñòàòêîâ. Âîïåðâûõ, èñòî÷íèê ýíåðãèè çâåçä íå î÷åíü ýôôåêòèâåí: â òåðìîÿäåðíûõ ðåàêöèÿõ â ýíåðãèþ ïðåâðàùàåòñÿ ëèøü îêîëî 1% ìàññû (E = ÄMc 2 » 0,01Mc 2). Ñ ñàìîãî íà÷àëà áûëî ÿñíî, ÷òî â ìàññèâíûõ îáúåêòàõ ãðàâèòàÐèñ. 9.13. Êâàçàð â ìîäåëè ÷åðíîé äûðû ñ öèÿ ýôôåêòèâíåå ÿäåðíûõ ðeàêêðåöèîííûì äèñêîì è äæåòîì. àêöèé: ïðè ãðàâèòàöèîííîì êoëëàïñå âûäåëÿåòñÿ ýíåðãèÿ 2 E ~ Mc . Ïîýòîìó æèçíü ñâåðõçâåçäû îãðàíè÷åíà êåëüâèíîâñêîé ñòàäèåé, ò. å. ñòàäèåé ãðàâèòàöèîííîãî êîëëàïñà. Âî-âòîðûõ, çâåçäû ñ ìàññàìè áîëåå 103 MA î÷åíü íåóñòîé÷èâû: âðåìÿ èõ æèçíè ~104 ëåò. Ïûòàÿñü ñïàñòè ìîäåëü, ß. Á. Çåëüäîâè÷ ñ ñîòðóäíèêàìè ðàññìîòðåëè âîçìîæíîñòü ñòàáèëèçèðîâàòü ñâåðõçâåçäó åå áûñòðûì âðàùåíèåì. Íî è ïðè ýòîì íå óäàâàëîñü ïðîäëèòü åå æèçíü áîëåå ÷åì äî 106 ëåò. Ìîäåëü ñâåðõçâåçäû ïûòàëèñü óñëîæíèòü, ïðåäñòàâëÿÿ åå â âèäå «ìàãíåòîèäà», ãðàâèòàöèîííîìó ñæàòèþ â êîòîðîì ïðîòèâîñòîèò äàâëåíèå êðóïíoìàñøòàáíîãî òóðáóëåíòíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ (Â. Ë. Ãèíçáóðã, Ä. Ëýéçåð, Ë. Ì. Îçåðíîé, Í. Ñ. Êàðäàøåâ). Äëÿ íåå ïðåäëàãàëñÿ âíåøíèé èñòî÷íèê ýíåðãèè â âèäå óäàðíûõ âîëí îò ïðîëåòàþùèõ ñêâîçü íåå íîðìàëüíûõ çâåçä ãàëàêòè÷åñêîãî ÿäðà (Ý. ß. Âèëüêîâèñêèé). Äîëüøå äðóãèõ ïðîäåðæàëàñü ìîäåëü ìàññèâíîé âðàùàþùåéñÿ ñâåðõçâåçäû — ìàññèâíîãî ïóëüñàðà, êîòîðûé ìîæåò ñôîðìèðîâàòüñÿ èç çàìàãíè÷åííîãî àêêðåöèîííîãî äèñêà (Õ. Ñîððåë, Ë. Ì. Îçåðíîé, Â. Â. Óñîâ). Íåêîòîðîå âðåìÿ èçó÷àëàñü ìîäåëü ïëîòíîãî çâåçäíîãî ñêîïëåíèÿ, îñíîâíàÿ ýíåðãèÿ â êîòîðîì âûäåëÿåòñÿ çà ñ÷åò ñòîëêíîâåíèé çâåçä. Íî ýòîò ïðîöåññ íå äàâàë íåîáõîäèìîé ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ. Ïîçæå îáðàòèëè âíèìàíèå, ÷òî îòäåëüíûå âñïëåñêè ÿðêîñòè êâàçàðîâ ïî ýíåðãèè áëèçêè ê âçðûâàì ñâåðõíîâûõ (~ 1045 Äæ), è ýòî ïðèâëåêëî âíèìàíèå ê ìîäåëè êîìïàêòíîãî çâåçäíîãî ñêîïëåíèÿ ñ ÷àñòûìè âñïûøêàìè ñâåðõíîâûõ (Äæ. Áåðáèäæ, Â. Êàìåðîí, Ñ. Êîëãåéò).  êà÷åñòâå ýêçîòè÷åñêèõ èñòî÷íèêîâ ýíåðãèè êâàçàðîâ ðàññìàòðèâà-
9.2. Êâàçàðû: 50 ëåò ñïóñòÿ
373
ëèñü äàæå çàäåðæàâøèåñÿ â ñâîåì ðàñøèðåíèè ó÷àñòêè Âñåëåííîé — áåëûå äûðû (È. Ä. Íîâèêîâ). Íî è ýòà ìîäåëü íå ñìîãëà îáúÿñíèòü îòíîñèòåëüíî áîëüøîå âðåìÿ æèçíè êâàçàðà. Ïîæàëóé, åäèíñòâåííîé âûæèâøåé íà ñåãîäíÿøíèé äåíü ìîäåëüþ àêòèâíîãî ÿäðà ãàëàêòèêè, è â òîì ÷èñëå êâàçàðà, îñòàëàñü ìîäåëü ìàññèâíîé ÷åðíîé äûðû ñ àêêðåöèîííûì äèñêîì (Ä. ËèíäåíÁåëë; Ì. Ðèñ, Äæ. Ïðèíãë). Ñî âðåìåíåì ó ýòîé ìîäåëè (ðèñ. 9.13) ïîÿâèëñÿ ðÿä ìîäèôèêàöèé. Íàïðèìåð, â íåêîòîðûõ ðàáîòàõ ðàññìàòðèâàëàñü ìîäåëü ñ äâîéíîé ÷åðíîé äûðîé (Á. Â. Êîìáåðã, Í. Ðóñ, Ì. Ãàñêåëë) èëè ó÷èòûâàëîñü ïðèñóòñòâèå âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ (Ð. Áëåíäôîðä, À. Çíàéåê è äð.). Èòàê, ÷òî æå ñòàëî èçâåñòíî î ñâîéñòâàõ êâàçàðîâ ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè, ò. å. ñïóñòÿ ïî÷òè 50 ëåò ïîñëå èõ îòêðûòèÿ?
9.2. Êâàçàðû: 50 ëåò ñïóñòÿ 9.2.1. Íåìíîãî ñòàòèñòèêè Ñåé÷àñ ïî êîñâåííûì ïðèçíàêàì (â îñíîâíîì ïî öâåòó) íàñ÷èòûâàþòñÿ ñîòíè òûñÿ÷ êàíäèäàòîâ â êâàçàðû, à íàäåæíî, ïî èçìåðåííûì êðàñíûì ñìåùåíèÿì, èõ âûÿâëåíî îêîëî 100 000. Âûÿñíèëîñü, ÷òî äèàïàçîí êðàñíûõ ñìåùåíèé êâàçàðîâ ïðîñòèðàåòñÿ îò z = 0,04 (òîò ñàìûé HZ 46), ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ðàññòîÿíèþ âñåãî ëèøü 200 Ìïê, äî z » 6–7, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò êîñìîëîãè÷åñêîé ýïîõå, îòñòîÿùåé ìåíåå
Ðèñ. 9.14 Ðàñïðåäåëåíèå 65 000 êâàçàðîâ ïî èõ êðàñíîìó ñìåùåíèþ (z). Ïî âåðòèêàëüíîé îñè — ÷èñëî êâàçàðîâ â èíòåðâàëå Dz = 0,01. Ãðàôèê ïîñòðîåí ïî äàííûì Ñëîàíîâñêîãî îáçîðà íåáà (SDSS).
374
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Ðèñ. 9.15. Ñïåöèàëèçèðîâàííûé 2,5-ìåòðîâûé øèðîêîóãîëüíûé òåëåñêîï Ôîíäà Ñëîàíà (Alfred P. Sloan Foundation) â îáñåðâàòîðèè Àïà÷å Ïîéíò (øò. Íüþ Ìåêñèêî). Ñ åãî ïîìîùüþ â 2000–2005 ãã. áûë ïðîâåäåí Ñëîàíîâñêèé ìíîãîöâåòíûé è ñïåêòðàëüíûé îáçîð ñåâåðíîãî íåáà.
÷åì íà 1 ìëðä ëåò îò «íà÷àëà âðåìåí», ò. å. îò Áîëüøîãî âçðûâà (ðèñ. 9.14 è 9.32). Âèäèìûå çâåçäíûå âåëè÷èíû êâàçàðîâ çàêëþ÷åíû â äèàïàçîíå îò 13m äî 24m ñ ìàêñèìóìîì ïðè mV = 19; èõ àáñîëþòíûå çâåçäíûå âåëè÷èíû ëåæàò â èíòåðâàëå îò –23m (ïî îïðåäåëåíèþ) äî –32m ñ ìàêñèìóìîì ïðè MV = –27. Äëÿ ñðàâíåíèÿ: ó íàøåé ãàëàêòèêè è ó Òóìàííîñòè Àíäðîìåäû MV » –21. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ñðåäíèé êâàçàð â îïòè÷åñêîì äèàïàçîíå â ñîòíè ðàç ÿð÷å íîðìàëüíûõ ãàëàêòèê, à êâàçàðû-÷åìïèîíû ñèÿþò êàê äåñÿòêè òûñÿ÷ ãàëàêòèê! Êâàçàðû ðàñïðåäåëåíû â ïðîñòðàíñòâå íåñðàâíåííî ðåæå, ÷åì ÿðêèå ãàëàêòèêè: â òî âðåìÿ êàê âáëèçè íàñ îäíà êðóïíàÿ ãàëàêòèêà â ñðåäíåì ïðèõîäèòñÿ íà íåñêîëüêî êóáè÷åñêèõ ìåãàïàðñåêîâ, îäèí ÿðêèé êâàçàð â ñðåäíåì ïðèõîäèòñÿ ïðèìåðíî íà ìèëëèàðä êóáè÷åñêèõ ìåãàïàðñåêîâ. Ïðàâäà, ñ óâåëè÷åíèåì êðàñíîãî ñìåùåíèÿ ïðîñòðàíñòâåííàÿ ïëîòíîñòü êâàçàðîâ âîçðàñòàåò, è ïðè z » 2–3 îäèí êâàçàð óæå ìîæíî íàéòè â ìèëëèîíå êóáè÷åñêèõ ìåãàïàðñåêîâ (ðèñ. 9.16). Ïðè ýòîì ðå÷ü èäåò, ðàçóìååòñÿ, îá îáúåìàõ ñîïóòñòâóþùåãî ïðîñòðàíñòâà, â êîòîðîì ôèçè÷åñêèé ðàçìåð «ïàðñåêà» óáûâàåò â ïðîøëîå êàê (1 + z) äëÿ ó÷åòà ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé.  òàêèõ êîîðäèíàòàõ ïàäå-
9.2. Êâàçàðû: 50 ëåò ñïóñòÿ
375
Ðèñ. 9.16. Ýâîëþöèÿ ïðîñòðàíñòâåííîé ïëîòíîñòè êâàçàðîâ ñ MB ìåíåå –26m â ñîïóòñòâóþùåì ïðîñòðàíñòâå. Çíà÷êè ñ «óñàìè» — ðåçóëüòàò íàáëþäåíèé ïî ðàçëè÷íûì îáçîðàì. Òî÷êè, ñîåäèíåííûå ëèíèé, è ñåðàÿ ïîëîñà — ðåçóëüòàò ìîäåëèðîâàíèÿ â ïðåäïîëîæåíèè âðåìåíè æèçíè êâàçàðîâ 2 · 107 ëåò (Di Matteo è äð, 2003). Äëÿ ñðàâíåíèÿ øòðèõîâîé ëèíèåé ïîêàçàíà ýâîëþöèÿ ñðåäíåé ïî ñîïóòñòâóþùåìó ïðîñòðàíñòâó èíòåíñèâíîñòè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ (star formation rate, SFR) â ãàëàêòèêàõ (Schaerer è äð., 2007).
íèå ïëîòíîñòè êâàçàðîâ â íàøó ýïîõó ñâÿçàíî ñ èõ ðåàëüíûì «îòêëþ÷åíèåì», à íå ñ ýôôåêòîì êîñìîëîãè÷åñêîãî ðàñøèðåíèÿ ìèðà. Ïî-âèäèìîìó, ìàêñèìóì ïðîñòðàíñòâåííîé ïëîòíîñòè êâàçàðîâ äîñòèãàåòñÿ ïðè z » 2–3 îäíîâðåìåííî ñ ìàêñèìóìîì òåìïà ôîðìèðîâàíèÿ ìàññèâíûõ ãàëàêòèê, ðàñïîëîæåííûõ â öåíòðàëüíûõ îáëàñòÿõ áîãàòûõ ñêîïëåíèé. Òàêèì îáðàçîì, ïî êâàçàðàì ìîæíî îòñëåæèâàòü êðóïíîìàñøòàáíóþ ñòðóêòóðó Âñåëåííîé (ò. å. ðàñïðåäåëåíèå ñêîïëåíèé ãàëàêòèê) íà î÷åíü áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ, ãäå åå íàáëþäåíèå ïî ñàìèì ãàëàêòèêàì çàòðóäíåíî ïî ïðè÷èíå èõ íåäîñòàòî÷íîé ÿðêîñòè. Ïðàâäà, ïðè ýòîì êàðòèíà êðóïíîìàñøòàáíîé ñòðóêòóðû ïîëó÷àåòñÿ íå òàêîé ïîäðîáíîé, êàê ïðè åå âûÿâëåíèè ïî áëèçêèì ãàëàêòèêàì. Äåëî â òîì, ÷òî âðåìÿ æèçíè êâàçàðà â òûñÿ÷è ðàç ìåíüøå âðåìåíè
376
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Ðèñ. 9.17. Ðàñïðåäåëåíèå ýíåðãèè â ñïåêòðå êâàçàðà 3C 273, ãàëàêòèêè ñ àêòèâíûì ÿäðîì NGC 6240 è ãàëàêòèêè ñî âñïûøêîé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ Arp 220. Øòðèõîâîé ëèíèåé ïîêàçàíà èíòåðïîëÿöèÿ ñïåêòðîâ â òåõ îáëàñòÿõ, ãäå íåò íàáëþäåíèé (Mainieri è äð., 2005).
ñóùåñòâîâàíèÿ çâåçäíûõ ñèñòåì, êîòîðîå îïðåäåëÿåòñÿ äëèòåëüíîñòüþ ýâîëþöèè çâåçä. Ïîýòîìó ïî êâàçàðàì âûäåëÿþòñÿ ëèøü îòäåëüíûå «óçëû» êðóïíîìàñøòàáíîé ñòðóêòóðû.  ÷àñòíîñòè, ïî íèì íàéäåíû î÷åíü äàëåêèå ñâåðõñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê, êîòîðûå íàáëþäàþòñÿ êàê áîëüøèå ãðóïïû èç äåñÿòêîâ êâàçàðîâ â îáëàñòÿõ ðàçìåðîì â äåñÿòêè ìåãàïàðñåêîâ. Õîòÿ íà ñíèìêàõ êâàçàðû âûãëÿäÿò êàê çâåçäû, âïå÷àòëåíèå ýòî îáìàí÷èâîå: ïî ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ (1038–1041 Âò) îíè ïðåâîñõîäÿò òèïè÷íûå çâåçäû â 1012–1015 ðàç! Òî æå è ñ öâåòîì: ïî ñâîèì îïòè÷åñêèì öâåòàì (U–B, B–V) êâàçàðû íàïîìèíàþò ìîëîäûå ãîðÿ÷èå çâåçäû, íî â äåéñòâèòåëüíîñòè èõ íåïðåðûâíûé ñïåêòð ñîâåðøåííî íå ïîõîæ íà ñïåêòð çâåçäû. Íåïðåðûâíûé ñïåêòð êâàçàðà â î÷åíü øèðîêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò (îò ðàäèî- äî ãàììà-) èìååò ñòåïåííîé âèä (Fn µ na, ïðè a » 0,7 ¸ 1,0) è îáóñëîâëåí ñèíõðîòðîííûì èçëó÷åíèåì ðåëÿòèâèñòñêèõ ýëåêòðîíîâ ñ äîáàâêîé íà âûñîêîýíåðãè÷íîì õâîñòå èçëó÷åíèÿ çà ñ÷åò îáðàòíîãî ýôôåêòà Êîìïòîíà, ïðè êîòîðîì êâàíòû ïîëó÷àþò äîïîëíèòåëüíóþ ýíåðãèþ, ðàññåèâàÿñü íà áûñòðûõ ýëåêòðîíàõ. Íà ýòî íåòåïëîâîå èçëó÷åíèå íàëîæåíû äâà øèðîêèõ òåïëîâûõ ãîðáà: ñ ìàêñèìóìîì íà ÷àñòîòå n = 3 · 1012 Ãö îò íàãðåòîé ïûëè è ñ âòîðûì ìàêñèìóìîì íà n l 1016 Ãö îò ãîðÿ÷åé ïëàçìû îêîëîÿäåðíîãî äèñêà (ðèñ. 9.17). Íàèáîëåå èçó÷åííûìè ó÷àñòêàìè â ñïåêòðàõ êâàçà-
377
9.2. Êâàçàðû: 50 ëåò ñïóñòÿ
ðîâ ÿâëÿþòñÿ ðàäèî- è îïòè÷åñêèé äèàïàçîíû, õîòÿ â ïîñëåäíèå ãîäû ìíîãèå êâàçàðû îáíàðóæèâàþòñÿ è â ðeíòãåíå. 9.2.2. Ðàäèîãðîìêèå è ðàäèîòèõèå êâàçàðû Ïî ñâåòèìîñòè â ðàäèîäèàïàçîíå êâàçàðû è ðàäèîãàëàêòèêè òðàäèöèîííî äåëÿò íà ðàäèîãðîìêèå è ðàäèîòèõèå. Ãðàíèöåé ìåæäó íèìè ñ÷èòàåòñÿ ñïåêòðàëüíàÿ ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ âñåãî îáúåêòà â öåëîì, ñ îêðóæàþùèìè ÿäðî ïðîòÿæåííûìè îáëàñòÿìè, íà ÷àñòîòå 5 ÃÃö, ðàâíàÿ 1025 Âò/Ãö: tot < 1025 Âò/Ãö — ðàäèîòèõèå (ðàäèîñïîêîéíûå); P 5GHz tot > 1025 Âò/Ãö — ðàäèîãðîìêèå. P 5GHz
Âïðî÷åì, â ïîñëåäíèå ãîäû ñòàëè îáíàðóæèâàòü è îáúåêòû ïðîìåæóòî÷íîãî òèïà. Èñïîëüçóÿ ñèñòåìû àïåðòóðíîãî ñèíòåçà ñ óãëîâûì ðàçðåøåíèåì â ñåêóíäû äóãè, ïîëó÷èëè ðàäèîèçîáðàæåíèÿ êâàçàðîâ, â îáùèõ ÷åðòàõ ïîõîæèå íà èçîáðàæåíèÿ ðàäèîãàëàêòèê. Íà íèõ âûäåëÿþòñÿ: ÿäðà ñ ïëîñêèì ñïåêòðîì (a < 0,5), óçêèå ñòðóéíûå, ÷àñòî îäíîñòîðîííèå âûáðîñû — äæåòû (jet) ñ áîëåå êðóòûì ñïåêòðîì (á l 0,7) è ïðîòÿæåííûå ñòðóêòóðû — «ïóçûðè», èëè «óøè» (lobe), ñ åùå áîëåå êðóòûì ñïåêòðîì (a > 1). Èçîáðàæåíèÿ, ïîëó÷åííûå èíòåðôåðîìåòðàìè ñî ñâåðõäëèííîé áàçîé, èìåþùèå óãëîâîå ðàçðåøåíèå âïëîòü äî äîëåé óãëîâîé ìèêðîñåêóíäû (milliarcsecond, 1 mas = 0,001²), ïîêàçàëè, ÷òî öåíòðàëüíûå ðàäèîèñòî÷íèêè êâàçàðîâ ñîñòîÿò èç äî ñèõ ïîð íå ðàçðåøåííûõ ñëàáîïåðåìåííûõ ÿäåð è âûëåòàþùèõ èç íèõ îòäåëüíûõ êîìïàêòíûõ ðàäèîêîìïîíåíòîâ, íåðåäêî äâèæóùèõñÿ ñ íàáëþäàåìîé ñâåðõñâåòîâîé ñêîðîñòüþ (víàáë > c). Ýòî íå ïðîòèâîðå÷èò ôèçèêå: åñëè èçëó÷àþùèé îáúåêò äâèæåòñÿ ê íàáëþäàòåëþ ñ ñóáñâåòîâîé ñêîðîñòüþ (v < c) ïîä ìàëûì óãëîì q ê ëó÷ó çðåíèÿ, òî íàáëþäàåìàÿ â êàðòèííîé ïëîñêîñòè ñêîðîñòü ìîæåò áûòü ñêîëü óãîäíî áîëüøîé: víàáë =
v sin q . v 1 - cos q c
Íàïðèìåð, ïðè v = 0,95 c è q = 20° íàáëþäàåìàÿ ñêîðîñòü èñòî÷íèêà ñîñòàâëÿåò víàáë = 3,2 c. Âûëåòàþùèå èç ÿäðà ðàäèîêîìïîíåíòû îáû÷íî äâèæóòñÿ ïî âèíòîâîé òðàåêòîðèè è òåðÿþò ÿðêîñòü â òå÷åíèå íåñêîëüêèõ ëåò. Ïîÿâëåíèå êàæäîãî íîâîãî êîìïîíåíòà ñîïðîâîæäàåòñÿ âñïëåñêîì ðàäèîèçëó÷åíèÿ, êîòîðîìó ïðåäøåñòâóåò îïòè÷åñêàÿ âñïûøêà.
378
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Ðèñ. 9.18. Ðàäèîãàëàêòèêà 3Ñ 31 ñ äâóìÿ ïðîòÿæåííûìè êîìïîíåíòàìè, ÿðêîñòü êîòîðûõ óìåíüøàåòñÿ ïî ìåðå óäàëåíèÿ îò ÿäðà (òèï FRI).
Ðèñ. 9.19. Ðàäèîãàëàêòèêà Ëåáåäü À ñ óçêèìè äæåòàìè è ïðîòÿæåííûìè êîìïîíåíòàìè, íà âíåøíèõ êðàÿõ êîòîðûõ âèäíû ãîðÿ÷èå ïÿòíà (òèï FRII).
×åì âûøå ÷àñòîòíûé äèàïàçîí íàáëþäåíèé, òåì áîëåå êîðîòêèå âðåìåííûå èçìåíåíèÿ ïðèñóòñòâóþò â êðèâûõ áëåñêà êâàçàðîâ. Åñëè â ðàäèîäèàïàçîíå ñóùåñòâåííîå èçìåíåíèå ïîòîêà ïðîèñõîäèò çà ìåñÿöû è ãîäû, òî â îïòèêå ýòî ìîãóò áûòü íåäåëè, à â ðåíòãåíå — äíè è ÷àñû. Âïðî÷åì, ó î÷åíü êîìïàêòíûõ èñòî÷íèêîâ äàæå â ðàäèîäèàïàçîíå âèäíû ñóòî÷íûå èçìåíåíèÿ. Èíòåðåñíî, ÷òî èçìåíåíèÿ èíòåíñèâíîñòè ñíà÷àëà âîçíèêàþò â ðåíòãåíå, çàòåì â îïòèêå è ëèøü ÷å-
9.2. Êâàçàðû: 50 ëåò ñïóñòÿ
379
ðåç ìåñÿöû — â ðàäèî. Ïðè÷èíû êðàòêîâðåìåííîé âñïûøå÷íîé ïåðåìåííîñòè â ÿäðàõ ãàëàêòèê íå ñîâñåì ÿñíû. Ó èññëåäîâàòåëåé íà ýòîò ñ÷åò íåò åäèíîãî ìíåíèÿ. Ðàçóìååòñÿ, ôèçè÷åñêèå ïðè÷èíû ïåðåìåííîñòè â ðàçíûõ äèàïàçîíàõ ñïåêòðà ìîãóò áûòü ðàçíûìè. ßñíî òîëüêî, ÷òî ñàì ôåíîìåí ïåðåìåííîñòè ñâÿçàí ñ ïðîöåññàìè íåóñòîé÷èâîñòè ëèáî â àêêðåöèîííîì äèñêå, ëèáî â ïîòîêå ðåëÿòèâèñòñêèõ ÷àñòèö, îáðàçóþùèõ âûáðîñû (äæåòû), à âîçìîæíî, è òàì è òàì. Íå ïîñëåäíþþ ðîëü â ïðîöåññàõ, îòâåòñòâåííûõ çà ïåðåìåííîñòü, ìîæåò èãðàòü ïåðåñîåäèíåíèå ìàãíèòíûõ ïîëåé, à òàêæå óäàðíûå âîëíû, íà ôðîíòàõ êîòîðûõ â âûáðîñàõ ìîæåò ïðîèñõîäèòü óñêîðåíèå èçëó÷àþùèõ ÷àñòèö. Èíîãäà ïåðåìåííîñòü íîñèò êâàçèïåðèîäè÷åñêèé õàðàêòåð ñ õàðàêòåðíûìè âðåìåíàìè â ãîäû èëè äåñÿòêè ëåò. Ïîêà íå ñîâñåì ÿñíî, ñ ÷åì ýòî ñâÿçàíî. Çà ïåðèîäè÷åñêèå èçìåíåíèÿ íàáëþäàåìîãî ïîòîêà ìîæåò áûòü îòâåòñòâåííà ïðåöåññèÿ îêîëîÿäåðíîãî ãàçîâîãî äèñêà, êîòîðàÿ, â ñâîþ î÷åðåäü, ïðèâîäèò ê ïðåöåññèè ðåëÿòèâèñòñêèõ âûáðîñîâ, óñêîðÿþùèõñÿ ïî îñè äèñêà (ñì. ðèñ. 14 öâåòíîé âêëàäêè). Äðóãîé ïðè÷èíîé ýòîãî ìîæåò áûòü äâîéñòâåííîñòü ÿäðà ãàëàêòèêè, ò. å. ïðèñóòñòâèå â íåì îòíîñèòåëüíî òåñíîé ïàðû ìàññèâíûõ ÷åðíûõ äûð, êîòîðûå ñî âðåìåíåì ñáëèæàþòñÿ è äîëæíû ñëèòüñÿ. Íàáëþäàòü ýòî áûëî áû îñîáåííî èíòåðåñíî òåì àñòðîôèçèêàì, êòî çàíÿò ïîèñêîì ãðàâèòàöèîííûõ âîëí. Îñòàíîâèìñÿ åùå íà âîïðîñå î ðàäèîìîðôîëîãèè ãàëàêòèê ñ àêòèâíûìè ÿäðàìè.  1974 ã. Ôàíàðîâ (B. L. Fanaroff) è Ðàéëè (J. M. Riley) ïðåäëîæèëè ïðîñòîå äåëåíèå ðàäèîãðîìêèõ îáúåêòîâ ïî âíåøíåìó âèäó èõ ïðîòÿæåííûõ ðàäèîñòðóêòóð.  êà÷åñòâå ïàðàìåòðà äëÿ äåëåíèÿ îíè âçÿëè îòíîøåíèå ðàññòîÿíèÿ ìåæäó ÿð÷àéøèìè îáëàñòÿìè ñ äâóõ ñòîðîí îò àêòèâíîãî ÿäðà ãàëàêòèêè èëè êâàçàðà ê ïîëíîìó ðàçìåðó ðàäèîèñòî÷íèêà, èçìåðåííîìó ïî ñàìûì âíåøíèì åãî êîíòóðàì (êîìïàêòíûé èñòî÷íèê â öåíòðå ãàëàêòèêè â ðàñ÷åò íå ïðèíèìàëñÿ). Åñëè ýòî îòíîøåíèå ìåíüøå 0,5, îáúåêò îòíåñëè ê òèïó I, åñëè áîëüøå ÷åì 0,5 — ê òèïó II. Òåïåðü ýòè òèïû ïðèíÿòî îáîçíà÷àòü êàê FRI è FRII. Õàðàêòåðíûé âèä ðàäèîèñòî÷íèêîâ ýòèõ äâóõ òèïîâ ïîêàçàí íà ðèñ. 9.18 è 9.19. Îêàçàëîñü, ÷òî ïðèíàäëåæíîñòü èñòî÷íèêà ê òîìó èëè èíîìó òèïó ñâÿçàíà ñ ìîùíîñòüþ åãî ðàäèîèçëó÷åíèÿ: îáúåêòû íèçêîé ìîùíîñòè èìåþò ñòðóêòóðó òèïà FRI, êàê ó ðàäèîãàëàêòèêè 3C 31 (NGC 383), à ìîùíûå îáúåêòû èìåþò ñòðóêòóðó òèïà FRII, êàê ó ðàäèîãàëàêòèêè Ëåáåäü À (Cygnus A, ñì. ðèñ. 12 è 13 öâåòíîé âêëàäêè). Ïîãðàíè÷íîå çíà÷åíèå ñïåêòðàëüíîé ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ íà ÷àñòîòå 178 ÌÃö ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 2 · 1025 Âò/(Ãö · ñð).
380
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Ïîçæå áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ãðàíèöà ðàäèîìîùíîñòè ìåæäó ýòèìè äâóìÿ òèïàìè ñàìà ðàñòåò ñ ðîñòîì îïòè÷åñêîé ñâåòèìîñòè õîçÿéñêîé ãàëàêòèêè (à ïîñëåäíÿÿ î÷åâèäíî ñâÿçàíà ñ ìàññîé öåíòðàëüíîé ÷åðíîé äûðû). Òàê êàê ðàäèîêâàçàðû èìåþò âûñîêèå ðàäèîñâåòèìîñòè, òî îíè, êàê ïðàâèëî, èìåþò ðàäèîìîðôîëîãèþ òèïà FRII. Íàáëþäåíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî ïðè íå î÷åíü áîëüøèõ êðàñíûõ ñìåùåíèÿõ (z < 0,5) èñòî÷íèêè òèïà FRII èçáåãàþò îáëàñòåé, çàíÿòûõ áîãàòûìè ñêîïëåíèÿìè ãàëàêòèê, — òàì âñòðå÷àþòñÿ ëèøü èñòî÷íèêè òèïà FRI. Îäíàêî ïðè z > 0,5 ýòî óæå íå òàê. Ñêëàäûâàåòñÿ âïå÷àòëåíèå, ÷òî âèä ïðîòÿæåííîé ðàäèîñòðóêòóðû àêòèâíîãî ÿäðà ãàëàêòèêè çàâèñèò, âî-ïåðâûõ, îò ìîùíîñòè ñàìîãî ÿäðà â ðàäèîäèàïàçîíå, à âî-âòîðûõ, îò ïëîòíîñòè ìåæãàëàêòè÷åñêîé ñðåäû â ñêîïëåíèè ãàëàêòèê. Îòíîñèòåëüíî ìîëîäûå è ìîùíûå èñòî÷íèêè (â ïåðâóþ î÷åðåäü ýòî ðàäèîãðîìêèå êâàçàðû) ìîãóò âûãëÿäåòü êàê FRII äàæå â áîãàòûõ ñêîïëåíèÿõ. Íî ïî ìåðå îñëàáëåíèÿ àêòèâíîñòè ÿäðà ãàç â ñêîïëåíèè íà÷èíàåò òîðìîçèòü ïðîòÿæåííûå ðàäèîêîìïîíåíòû è äàæå ìîæåò ïîäæèìàòü èõ ê öåíòðó ñêîïëåíèÿ, ò. å. ê õîçÿéñêîé ãàëàêòèêå, ïðåâðàùàÿ òèï ðàäèîèñòî÷íèêà â FRI. Ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî ðàäèîèñòî÷íèêè òèïà FRI ñâÿçàíû ñ áîëåå ñòàðûìè îáúåêòàìè, ÷åì èñòî÷íèêè òèïà FRII. Êîñâåííî îá ýòîì ñâèäåòåëüñòâóåò òîò ôàêò, ÷òî ìàññû ÷åðíûõ äûð â ÿäðàõ FRI áîëüøå, ÷åì â ÿäðàõ FRII. Êðîìå òîãî, äàëåêèå (áîëåå ìîëîäûå) ñêîïëåíèÿ èìåþò â ñâîèõ öåíòðàëüíûõ îáëàñòÿõ ìåíåå ïëîòíûé ãàç, ïîýòîìó òàì ìîãóò íàáëþäàòüñÿ FRII. À â áîëåå áëèçêèõ ê íàì (ò. å. áîëåå ñòàðûõ) ñêîïëåíèÿõ, ó êîòîðûõ ïëîòíîñòü ãàçà â öåíòðå ñî âðåìåíåì âîçðàñòàåò, íàáëþäàþòñÿ óæå òîëüêî èñòî÷íèêè òèïà FRI. È â íèõ íåò ðàäèîêâàçàðîâ, òàê êàê èç-çà ñâîåé êîðîòêîé øêàëû àêòèâíîñòè êâàçàðû òàì óæå «ïðîãîðåëè», ïðåâðàòèâøèñü â áîëåå ñïîêîéíûå ðàäèîãàëàêòèêè. Îáñóæäàÿ ñâîéñòâà êâàçàðîâ, ìû óæå îòìå÷àëè, ÷òî ìîùíûìè ðàäèîèñòî÷íèêàìè ÿâëÿþòñÿ ëèøü 10% èç íèõ. Ýòè ðàäèîãðîìêèå êâàçàðû ïî ñâîèì ðàäèîñâîéñòâàì ïî÷òè íå îòëè÷àþòñÿ îò ðàäèîãàëàêòèê, åñëè îòâëå÷üñÿ îò èõ ÿäåð. Ïî ðàäèîèçîáðàæåíèÿì ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíî ñêàçàòü, ÿâëÿåòñÿ èñòî÷íèê ðàäèîãàëàêòèêîé èëè êâàçàðîì. Ïîýòîìó íå èñêëþ÷åíî, ÷òî ðàäèîãàëàêòèêè — ýòî ïðîñòî ñòàðûå êâàçàðû, ó êîòîðûõ îñëàáëà àêòèâíîñòü ÿäðà, à ïðîòÿæåííûå ðàäèîêîìïîíåíòû åùå äîæèâàþò ñâîé áîëåå äîëãèé âåê. Èõ ìåäëåííîå çàòóõàíèå îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî èçëó÷àþò îíè çà ñ÷åò ñèíõðîòðîííîãî ìåõàíèçìà, à ýíåðãèÿ ýëåêòðîíîâ è íàïðÿæåííîñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ïðîòÿæåííûõ êîìïîíåíòàõ çàìåòíî ìåíüøå, ÷åì â ÿäðàõ, ïîýòîìó è òåìï ïîòåðè ýíåðãèè íèæå.
9.2. Êâàçàðû: 50 ëåò ñïóñòÿ
381
Ðèñ. 9.20. Ìèêðîêâàçàð SS 433 (ñëåâà, ðèñóíîê õóäîæíèêà) — çàòìåííàÿ äâîéíàÿ çâåçäíàÿ ñèñòåìà â íàøåé ãàëàêòèêå, íà ðàññòîÿíèè 6 êïê îò Ñîëíöà â ñîçâåçäèè Îðåë. Îäèí èç åå êîìïîíåíòîâ — íîðìàëüíàÿ ìàññèâíàÿ çâåçäà, âòîðîé — íåéòðîííàÿ çâåçäà èëè ÷åðíàÿ äûðà, îêðóæåííàÿ àêêðåöèîííûì äèñêîì, âäîëü îñè êîòîðîãî âûáðàñûâàþòñÿ ïëàçìåííûå ñòðóè ñî ñêîðîñòüþ 0,26 c. Ïðåöåññèÿ äèñêà ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî ñòðóè çàêðó÷èâàþòñÿ øòîïîðîì, êàê ýòî âèäíî íà ðàäèîèçîáðàæåíèè ñïðàâà, ïîëó÷åííîì â 2004 ã. ñèñòåìîé àïåðòóðíîãî ñèíòåçà VLA (Blundell & Bowler, NRAO/AUI/NSF).
Èíòåðåñíî, ÷òî ó ðàäèîòèõèõ êâàçàðîâ â äèàïàçîíå ìåòðîâûõ âîëí ÷àñòî íàáëþäàþòñÿ «ñòàðûå» ïðîòÿæåííûå ðàäèîêîìïîíåíòû. Ýòî íàâîäèò íà ìûñëü, ÷òî è òàêèå êâàçàðû êîãäà-òî áûëè ðàäèîãðîìêèìè. Ê òàêîìó âûâîäó ïîäòàëêèâàþò è íàáëþäåíèÿ òàê íàçûâàåìûõ ìèêðîêâàçàðîâ, îáíàðóæåííûõ Ôåëèêñîì Ìèðàáåëåì â 1992 ã. Ýòî äâîéíûå çâåçäíûå ñèñòåìû (íîðìàëüíàÿ çâåçäà + ÷åðíàÿ äûðà èëè íåéòðîííàÿ çâåçäà), êîòîðûå ïî âíåøíåìó ïðîÿâëåíèþ ñâîåé àêòèâíîñòè î÷åíü íàïîìèíàþò ìèíèàòþðíûå êâàçàðû (ðèñ. 9.20), õîòÿ ìàññû èõ ÷åðíûõ äûð (èëè íåéòðîííûõ çâåçä) â äåñÿòêè ìèëëèîíîâ ðàç ìåíüøå, ÷åì ó êâàçàðîâ. Åñòåñòâåííî, ýòî âî ñòîëüêî æå ðàç óìåíüøàåò èõ ìîùíîñòü, à òàêæå âðåìåííûå è ïðîñòðàíñòâåííûå ìàñøòàáû. Ïîýòîìó âñå ïðîöåññû â ìèêðîêâàçàðàõ ïðîèñõîäÿò ïðÿìî íà ãëàçàõ, çà äåñÿòêè ìèíóò. Íàáëþäàÿ èõ, ìîæíî ïðîñëåäèòü, êàê èçìåíÿþòñÿ ðàäèîñâîéñòâà ìèêðîêâàçàðà â çàâèñèìîñòè îò òåìïà àêêðåöèè âåùåñòâà ñî çâåçäû-êîìïàíüîíà.  êâàçàðàõ, êîòîðûå ñâÿçàíû ñ ìàññèâíûìè ÷åðíûìè äûðàìè, ýòè ïåðåõîäíûå ïðîöåññû îò ñèëüíîãî ðàäèîèçëó÷åíèÿ ê ñëàáîìó ìîãóò çàíèìàòü òûñÿ÷è ëåò è, åñòåñòâåííî, íå ìîãóò áûòü îòñëåæåíû íà ìàñøòàáàõ äåñÿòêîâ ëåò. Ïîýòîìó ìû è âîñïðèíèìàåì äàííûé êâàçàð ëèáî êàê ðàäèîãðîìêèé, ëèáî êàê ðàäèîòèõèé. Íà ñàìîì äåëå ýòî ïðîñòî ðàçíûå ñîñòîÿíèÿ îäíîãî è òîãî æå îáúåêòà, â êîòîðîì ôàçà ðàäèî ïðèìåðíî â 10 ðàç êîðî÷å, ÷åì ôàçà íåðàäèî. Èíòåðåñíî, ÷òî â
382
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
ìèêðîêâàçàðàõ âðåìåííóå ñîîòíîøåíèå ýòèõ ôàç ïðèìåðíî òàêîå æå. Ôàçà ïåðåõîäíîãî ñîñòîÿíèÿ — îò ðàäèî ê íåðàäèî è íàîáîðîò — ó ìèêðîêâàçàðîâ õàðàêòåðèçóåòñÿ ñèëüíîé ïåðåìåííîñòüþ. Íå èñêëþ÷åíî, ÷òî ýòî ìîæåò íàáëþäàòüñÿ è ó íàñòîÿùèõ êâàçàðîâ. Òîãäà âïîëíå åñòåñòâåííî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî â ýòîì ïåðåõîäíîì ñîñòîÿíèè êâàçàðû ïðîÿâëÿþò ñåáÿ êàê îáúåêòû òèïà BL Lacertae, äëÿ êîòîðûõ õàðàêòåðíà áûñòðàÿ ïåðåìåííîñòü. Ïî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì, àêòèâíîñòü ÿäåð ãàëàêòèê ñâÿçàíà ñ àêêðåöèåé âåùåñòâà íà ñâåðõìàññèâíóþ ÷åðíóþ äûðó (MBH = 106–1010 MA). Âîêðóã íåå ïðè ýòîì ôîðìèðóåòñÿ àêêðåöèîííûé äèñê, â êîòîðîì ïîä äåéñòâèåì âçàèìíîãî òðåíèÿ ñëîåâ ïðîèñõîäèò ïðåâðàùåíèå ãðàâèòàöèîííîé ýíåðãèè ïàäàþùåãî âåùåñòâà â êèíåòè÷åñêóþ è òåïëîâóþ ýíåðãèþ, êîòîðàÿ â èòîãå ïîêèäàåò äèñê â âèäå èçëó÷åíèÿ è ïîòîêà áûñòðûõ ÷àñòèö — äæåòà. Òî æå ñàìîå ïðîèñõîäèò è â ìèêðîêâàçàðàõ, ñâÿçàííûõ ñ êîìïàêòíûìè îáúåêòàìè çâåçäíîé ìàññû. Ïðàâäà, â ëåãêèõ çâåçäíûõ ñèñòåìàõ àêêðåöèîííûå äèñêè ñâåòÿò â ðåíòãåíîâñêîì äèàïàçîíå, à â ìàññèâíûõ êâàçàðàõ îíè èçëó÷àþò â îñíîâíîì óëüòðàôèîëåò. Ïðè÷èíà â òîì, ÷òî ñóùåñòâóåò ïðîñòàÿ ôèçè÷åñêàÿ ñâÿçü ìåæäó ìàññîé ÷åðíîé äûðû (MBH) è õàðàêòåðíîé òåìïåðàòóðîé åå àêêðåöèîííîãî äèñêà (Td). Îñíîâíàÿ ÷àñòü ýíåðãèè âûäåëÿåòñÿ âáëèçè âíóòðåííåãî êðàÿ äèñêà, êîòîðûé ðàñïîëàãàåòñÿ íà ðàññòîÿíèè îêîëî 3rg îò ÷åðíîé äûðû (ýòî ðàäèóñ ïîñëåäíåé óñòîé÷èâîé îðáèòû). Øèðèíà ýòîé îáëàñòè òîæå ïîðÿäêà rg. Ïîýòîìó ïëîùàäü ãîðÿ÷åé îáëàñòè äèñêà µ rg2 µ M 2BH . Ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ èç 2 ýòîé îáëàñòè, ñîãëàñíî çàêîíó Ñòåôàíà—Áîëüöìàíà, L µ r g2 Td4 µ M BH 4 Td . Îáû÷íî ýòî èçëó÷åíèå ñîñòàâëÿåò çàìåòíóþ äîëþ ýääèíãòîíîâñêîé ñâåòèìîñòè èñòî÷íèêà: L ~ LEdd µ MBH. Îòñþäà è ïîëó÷àåòñÿ çàâèñèìîñòü õàðàêòåðíîé òåìïåðàòóðû åå àêêðåöèîííîãî äèñêà îò ìàññû ÷åðíîé äûðû: Td4 µ 1/MBH. Êàê âèäèì, ó ìàññèâíûõ äûð äèñêè õîëîäíåå. Òî÷íàÿ òåîðèÿ äàåò òàêóþ ñâÿçü: Td = 2 · 107 K (MBH/MA)–1/4.
Åñëè ïàäàþùåå íà äèñê âåùåñòâî çàìàãíè÷åíî, òî åãî êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ìîæåò íåïîñðåäñòâåííî êîíâåðòèðîâàòüñÿ â ýëåêòðîìàãíèòíóþ. Äåëî â òîì, ÷òî ïðè ïîäõîäå ê öåíòðó äèñêà çàìàãíè÷åííàÿ ïëàçìà âðàùàåòñÿ âñå áûñòðåå, ïðè ýòîì äèñê ñòàíîâèòñÿ ãåíåðàòîðîì ìàãíèòîäèïîëüíîãî èçëó÷åíèÿ, à ÿäðî ãàëàêòèêè ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñâîåîáðàçíûé ãèãàíòñêèé ïóëüñàð, ïîäîáíûé áûñòðî âðàùàþùåéñÿ íåéòðîííîé çâåçäå-ðàäèîïóëüñàðó. Ñèòóàöèÿ åùå áîëüøå óñëîæíÿåòñÿ, åñëè ïðèíÿòü âî âíèìàíèå, ÷òî è ñàìà ìàññèâíàÿ ÷åð-
383
9.2. Êâàçàðû: 50 ëåò ñïóñòÿ
íàÿ äûðà äîëæíà âðàùàòüñÿ è ñâîèì âðàùàþùèìñÿ ãðàâèòàöèîííûì ïîëåì äîáàâî÷íî óâëåêàòü çàìàãíè÷åííóþ îêðóæàþùóþ ïëàçìó. Ïðè ýòîì âîçíèêàåò òàê íàçûâàåìîå ìàãíèòîäèíàìè÷åñêîå èçëó÷åíèå Áëåíäôîðäà—Çíàéåêà, àíàëîãè÷íîå ìàãíèòîäèïîëüíîìó èçëó÷åíèþ îò øàðèêà ðàäèóñîì R ñ ìàãíèòíûì äèïîëüíûì ïîëåì B è óãëîâîé ñêîðîñòüþ âðàùåíèÿ W: L»
B 2 W 4 R 6 B 2 (W R )4 R 2 . º c3 c3
Âáëèçè ãîðèçîíòà ñîáûòèé ÷åðíîé äûðû R » rg º 2GMBH/c 2, à ñêîðîñòü äâèæåíèÿ áëèçêà ê ñêîðîñòè ñâåòà. Ïîýòîìó âìåñòî ëèíåéíîé ñêîðîñòè âðàùåíèÿ WR ìîæíî ïîäñòàâèòü ñêîðîñòü ñâåòà.  ðåçóëüòàòå ìû óâèäèì, ÷òî L µ B 2M 2BH . Íàïðÿæåííîñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ è åãî ðàñïðåäåëåíèå â àêêðåöèîííîì äèñêå èçâåñòíû ïëîõî. Îáû÷íî óñðåäíåííîå íà ðàçìåðå ~1013 ì ïîëå ñ÷èòàþò ðàâíûì ~103–104 Ãñ. Âàæíî, ÷òî ìàãíèòîäèïîëüíàÿ ñâåòèìîñòü ðàñòåò êàê êâàäðàò ìàññû ÷åðíîé äûðû, à åå êðèòè÷åñêàÿ (ýääèíãòîíîâñêàÿ) ñâåòèìîñòü — âñåãî ëèøü êàê ïåðâàÿ ñòåïåíü ìàññû. Ïîýòîìó ñ ðîñòîì ìàññû ÷åðíîé äûðû ðîëü äàâëåíèÿ èçëó÷åíèÿ â îêðóæàþùåì åå âåùåñòâå âîçðàñòàåò (ëþáîïûòíî, ÷òî àíàëîãè÷íàÿ çàâèñèìîñòü õàðàêòåðíà è äëÿ íîðìàëüíûõ çâåçä). ßñíî, ÷òî ýíåðãîâûäåëåíèå â îêðåñòíîñòè ìàññèâíîé ÷åðíîé äûðû ñâÿçàíî ñ äèíàìèêîé àêêðåöèîííîãî äèñêà, êîòîðàÿ îïðåäåëÿåòñÿ íå òîëüêî ìàññîé äûðû, íî òàêæå ýôôåêòèâíîé âÿçêîñòüþ äèñêà (a — ïàðàìåòð âÿçêîñòè ïî Í. È. Øàêóðå è Ð. À. Ñþíÿåâó) è òåìïîì àê& /M & & =M êðåöèè, âûðàæåííûì â ýääèíãòîíîâñêèõ åäèíèöàõ (m Edd ). Ïðè 2 & l a ) âåùåñòâî ìåäëåííî ïðîäâèãàåòñÿ âûñîêîì òåìïå àêêðåöèè (m ïî ðàäèóñó äèñêà è ïîýòîìó ïëîòíî åãî çàïîëíÿåò. Äèñê ïîõîæ íà ôîòîñôåðó çâåçäû — åãî èçëó÷åíèå èìååò òåïëîâîé õàðàêòåð. À ïðè âû& âåùåñòâî áûñòðî äâèæåòñÿ ê öåíòðó äèñêà, ñîêîé âÿçêîñòè (a 2 l m) ïîýòîìó ïëîòíîñòü åãî ìàëà, è êóëîíîâñêîå âçàèìîäåéñòâèå íå óñïåâàåò ïåðåäàâàòü âûäåëèâøóþñÿ òåïëîâóþ ýíåðãèþ îò èîíîâ ýëåêòðîíàì.  ðåçóëüòàòå ýëåêòðîíû îêàçûâàþòñÿ çíà÷èòåëüíî õîëîäíåå èîíîâ, è äèñê ïëîõî îõëàæäàåòñÿ, ïîñêîëüêó âñå ìåõàíèçìû èçëó÷åíèÿ ñâÿçàíû ñ äâèæåíèåì ýëåêòðîíîâ. Âûäåëÿþùàÿñÿ â òàêîì äèñêå ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ íåäîñòàòî÷íî ýôôåêòèâíî ïåðåðàáàòûâàåòñÿ â èçëó÷åíèå è âìåñòå ñ èîíàìè ïåðåìåùàåòñÿ âäîëü äèñêà ê åãî öåíòðó. Òàêîé ðåæèì àêêðåöèè íàçûâàþò àäâåêöèåé. Ïðè ýòîì öåíòðàëüíàÿ îáëàñòü äèñêà ñèëüíî íàãðåâàåòñÿ, îáðàçóÿ ãîðÿ÷óþ êîðîíó è ñîçäàâàÿ óñëîâèÿ äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ áûñòðîãî îòòåêàþùåãî âåòðà.  çà-
384
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
ìàãíè÷åííîì âåòðå ìîæåò ïðîèñõîäèòü óñêîðåíèå çàðÿæåííûõ ÷àñòèö äî âûñîêèõ (ðåëÿòèâèñòñêèõ) ýíåðãèé; òàêèå ÷àñòèöû ñïîñîáíû ãåíåðèðîâàòü ñèíõðîòðîííîå èçëó÷åíèå. Ïðè ýòîì îáúåêò ñòàíîâèòñÿ ðàäèîãðîìêèì. Òàêèì îáðàçîì, òåìï àêêðåöèè âåùåñòâà íà ÷åðíóþ äûðó ìîæåò óïðàâëÿòü ïðîöåññàìè èçëó÷åíèÿ îò îêîëîÿäåðíîé îáëàñòè àêêðåöèîííîãî äèñêà, ìåíÿÿ òèï àêòèâíîñòè, à çíà÷èò, è òèï àêòèâíîãî ÿäðà ãàëàêòèêè. Òàêîé âûâîä â ðàìêàõ ïðåäñòàâëåíèÿ îá àêòèâíîì ÿäðå êàê àêêðåöèðóþùåé ñâåðõìàññèâíîé ÷åðíîé äûðå âíîñèò ñóùåñòâåííûå êîððåêòèâû â «óíèôèöèðîâàííóþ ñõåìó» àêòèâíûõ ÿäåð ãàëàêòèê. Ñàìà æå ýòà ñõåìà âûãëÿäèò ñåãîäíÿ òàê: àêòèâíîå ÿäðî ñ âûáðîñîì ïîä óãëîì q > 75° ê ëó÷ó çðåíèÿ ïðåäñòàâëÿåòñÿ íàì ðàäèîãàëàêòèêîé, ïîä óãëîì q < 45° — êâàçàðîì, à ïðè q < 30° — ëàöåðòèäîé (ò. å. îáúåêòîì òèïà BL Lac). Äåéñòâèòåëüíî, ÷àñòü ñâîéñòâ àêòèâíîãî ÿäðà ìîæåò çàâèñåòü îò îðèåíòàöèè, òàê êàê âîêðóã àêêðåöèîííîãî äèñêà ìîæåò ñóùåñòâîâàòü ãîðàçäî áîëåå òîëñòûé ãàçîâî-ïûëåâîé òîð, êîòîðûé ñïîñîáåí ïåðåõâàòûâàòü èçëó÷åíèå àêòèâíîãî ÿäðà è, ïåðåðàáàòûâàÿ åãî íà ïûëè, òðàíñôîðìèðîâàòü â èíôðàêðàñíûé äèàïàçîí. Ïî ýòîìó ïðèçíàêó âñå àêòèâíûå ÿäðà äåëÿò íà äâà òèïà: îáúåêòû I òèïà ðàçâåðíóòû ê íàáëþäàòåëþ ïëàøìÿ, à II òèïà — ðåáðîì. Îò îðèåíòàöèè äîëæíû çàâèñåòü è øèðèíû ðàçðåøåííûõ ëèíèé èçëó÷åíèÿ, êîòîðûå ôîðìèðóþòñÿ â ãàçîâûõ îáëàêàõ äèñêà, âðàùàþùèõñÿ ïî êåïëåðîâñêèì îðáèòàì. Íà îñíîâàíèè òàêîé ìîäåëè äåëàþòñÿ îöåíêè ìàññû ÷åðíûõ äûð â öåíòðàõ ãàëàêòèê, â òîì ÷èñëå â êâàçàðàõ. Îñòàíîâèìñÿ íà ýòîì âîïðîñå ïîäðîáíåå. 9.2.3. Ýìèññèîííûå ëèíèè â ñïåêòðàõ êâàçàðîâ Õàðàêòåðíîé îñîáåííîñòüþ àêòèâíûõ ÿäåð ãàëàêòèê, â òîì ÷èñëå êâàçàðîâ, ÿâëÿåòñÿ ïðèñóòñòâèå â èõ ñïåêòðàõ ñèëüíûõ è øèðîêèõ ðàçðåøåííûõ ëèíèé èçëó÷åíèÿ, â êîòîðûõ ïîðîé çàêëþ÷åíî äî 10% îò ïîòîêà â íåïðåðûâíîì ñïåêòðå. Çàìåòèì, ÷òî èìåííî èçëó÷åíèå â íåïðåðûâíîì ñïåêòðå ïîääåðæèâàåò èîíèçàöèþ è âîçáóæäåíèå àòîìîâ â îêðóæàþùèõ ÿäðî ïëîòíûõ ãàçîâûõ îáëàêàõ, à ÷àñòü ýòîé ýíåðãèè ïîêèäàåò ÿäðî â âèäå ýìèññèè â ëèíèÿõ. Ïðè÷åì íàáëþäåíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî èçìåíåíèÿ â èíòåíñèâíîñòè è ïðîôèëÿõ øèðîêèõ ëèíèé ïðîèñõîäÿò ñ çàäåðæêîé â äåñÿòêè äíåé ïîñëå èçìåíåíèÿ â èíòåíñèâíîñòè íåïðåðûâíîãî èçëó÷åíèÿ ÿäðà. Ïî ýòîé çàäåðæêå ìîæíî îöåíèòü ðàññòîÿíèå äî îáëàñòè ôîðìèðîâàíèÿ øèðîêèõ ëèíèé (1015 ¸ 1016 ñì). Øèðèíû êðûëüåâ ëèíèé äîñòèãàþò äåñÿòêîâ òûñÿ÷ êèëîìåòðîâ â ñå-
9.2. Êâàçàðû: 50 ëåò ñïóñòÿ
385
Ðèñ. 9.21. Èíòåãðàëüíàÿ ôóíêöèÿ ñâåòèìîñòè êâàçàðîâ è ãàëàêòèê ñ èíòåíñèâíûì çâåçäîîáðàçîâàíèåì íà êðàñíûõ ñìåùåíèÿõ z = 5,5 ¸ 6,5. Çíà÷êàìè ïîêàçàíû íàáëþäåíèÿ: íàçåìíûå (SDSS, NOAO) è êîñìè÷åñêèå ñ òåëåñêîïîì «Õàááë» (ACS, HDF, UDF). Ëèíèÿìè ïîêàçàíû ìîäåëè ïðè Ùm = 0,27 è ÙL = 0,73. Çäåñü m0 — âèäèìàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà â áëèæíåì ÈÊ-äèàïàçîíå, M0 — àáñîëþòíàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà ïðè z = 6. Ïîêàçàíî êîëè÷åñòâî îáúåêòîâ (N) ñî çâåçäíîé âåëè÷èíîé ìåíüøå óêàçàííîé è èõ ïðîñòðàíñòâåííàÿ ïëîòíîñòü ïðè z = 6 (R. A. Windhorst è äð., 2008).
êóíäó, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î ïðèñóòñòâèè âáëèçè àêòèâíîãî ÿäðà, â îáëàñòè ðàçìåðîì < 1 ïê, ìîùíîãî ãàçîâîãî èñòå÷åíèÿ, âîçìîæíî, êîëëèìèðîâàííîãî â âèäå äâóõ äèàìåòðàëüíî ïðîòèâîëåæàùèõ êîíóñîâ.  áîëåå ïðîòÿæåííîé îáëàñòè (~100 ïê) ôîðìèðóþòñÿ áîëåå óçêèå çàïðåùåííûå ñïåêòðàëüíûå ëèíèè ñ øèðèíàìè â òûñÿ÷è êèëîìåòðîâ â ñåêóíäó, èíòåíñèâíîñòü êîòîðûõ õîðîøî êîððåëèðóåò ñ èíòåíñèâíîñòüþ ðàäèîèçëó÷åíèÿ ÿäðà. Áîëåå òîãî, îáëàñòü èõ ïîÿâëåíèÿ ÷àñòî ñîâïàäàåò ñ ðàäèîèçîôîòàìè. Ñðåäè êâàçàðîâ åñòü îáúåêòû, â ñïåêòðàõ êîòîðûõ íå íàáëþäàåòñÿ ëèíèé èçëó÷åíèÿ; èìåííî èõ
386
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
íàçûâàþò ëàöåðòèäàìè â ÷åñòü ïðîòîòèïà — BL Lacertae. Ñóäÿ ïî âñåìó, ëèíèè â èõ ñïåêòðàõ îòñóòñòâóþò íå ïîòîìó, ÷òî â ëàöåðòèäàõ ìàëî ãàçà èëè íèçêà èíòåíñèâíîñòü âîçáóæäàþùåãî èçëó÷åíèÿ, à ïðîñòî ïîòîìó, ÷òî ëèíèè «çàìûòû» ìîùíûì êîíòèíóóìîì. Ýòî ïîäòâåðæäàåòñÿ òåì ôàêòîì, ÷òî â ìèíèìóìå áëåñêà ó ëàöåðòèä ÷àñòî ïîÿâëÿþòñÿ ëèíèè â ñïåêòðå, à ñ äðóãîé ñòîðîíû, ó êâàçàðîâ â ìàêñèìóìå áëåñêà ëèíèè èñ÷åçàþò. Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ó ëàöåðòèä îñü ðàäèîâûáðîñà íàïðàâëåíà â ñðåäíåì ïîä ìåíüøèìè óãëàìè ê ëó÷ó íàøåãî çðåíèÿ, ÷åì ó êâàçàðîâ. Èìåííî íà ó÷åòå îðèåíòàöèè îêîëîÿäåðíîãî äèñêà ê ëó÷ó çðåíèÿ îñíîâàíà, êàê ìû çíàåì, «óíèôèöèðîâàííàÿ ñõåìà». Îäíàêî ýòà ñõåìà ñîâåðøåííî íå ó÷èòûâàåò âîçìîæíûõ ýâîëþöèîííûõ èçìåíåíèé â ñâîéñòâàõ àêòèâíûõ ÿäåð ãàëàêòèê. Íàïðèìåð, íå èñêëþ÷åíî, ÷òî ñî âðåìåíåì êâàçàð ìîæåò ïðåâðàùàòüñÿ â ðàäèîãàëàêòèêó, à êâàçèçâåçäíàÿ ãàëàêòèêà — â ãàëàêòèêó Ñåéôåðòà. Êîñâåííî ýòà âîçìîæíîñòü ïîäòâåðæäàåòñÿ ïëàâíûì ïåðåõîäîì èõ ôóíêöèé ñâåòèìîñòè äðóã â äðóãà. Íàïîìíèì, ÷òî ôóíêöèÿ ñâåòèìîñòè — ýòî çàâèñèìîñòü ïðîñòðàíñòâåííîé ïëîòíîñòè îáúåêòîâ â åäèíè÷íîì èíòåðâàëå ñâåòèìîñòè îò ñàìîé ñâåòèìîñòè. Ôóíêöèè ñâåòèìîñòè óêàçàííûõ òèïîâ àêòèâíûõ ãàëàêòèê ïëàâíî ïåðåõîäÿò äðóã â äðóãà, êàê â îïòèêå, òàê è â ðàäèîäèàïàçîíå (ðèñ. 9.21).
9.3. Êâàçàðû êàê èíñòðóìåíò äëÿ èçó÷åíèÿ Ìåòàãàëàêòèêè Áëàãîäàðÿ èñêëþ÷èòåëüíîé ÿðêîñòè êâàçàðîâ, ïîçâîëÿþùåé íàáëþäàòü èõ ñ ïðåäåëüíî áîëüøèõ ðàññòîÿíèé, ó àñòðîíîìîâ ïîÿâèëàñü íàäåæäà, èñïîëüçóÿ êâàçàðû â êà÷åñòâå «ñòàíäàðòíîé ñâå÷è» èëè «ñòàíäàðòíîé ëèíåéêè», íàêîíåö-òî îöåíèòü ïàðàìåòðû ìîäåëè Âñåëåííîé — åå ñðåäíþþ ïëîòíîñòü, êîíñòàíòó Õàááëà è äð. Îäíàêî ýòîé íàäåæäå íå ñóæäåíî áûëî ñáûòüñÿ. Êâàçàðû îêàçàëèñü î÷åíü ðàçíîîáðàçíû êàê ïî ñâîåé ñâåòèìîñòè, òàê è ïî ñâîèì ðàçìåðàì, íàïðèìåð, â ðàäèîäèàïàçîíå. Ïîýòîìó èñïîëüçîâàòü èõ â êà÷åñòâå êîñìîëîãè÷åñêîãî ñòàíäàðòà ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíî. Íàïðèìåð, íà ðèñ. 9.22 ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü m(z) äëÿ êâàçàðîâ, êîòîðóþ òðóäíî íàçâàòü õàááëîâñêîé çàâèñèìîñòüþ ïî ïðè÷èíå ñèëüíîãî ðàçáðîñà òî÷åê. Ñîâñåì èíîé âèä èìååò àíàëîãè÷íàÿ äèàãðàììà (ðèñ. 9.23) äëÿ ñàìûõ ÿðêèõ ÷ëåíîâ ñêîïëåíèé ãàëàêòèê (îáû÷íî ýòî ãèãàíòñêèå ýëëèïòè÷åñêèå ðàäèîãàëàêòèêè), ïî êîòîðîé õîðîøî ïðîñëåæèâàåòñÿ êîñìîëîãè÷åñêàÿ çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè (z) îò ðàññòîÿíèÿ (m). Êàê âèäèì, íà ðîëü ñòàíäàðòíîé ñâå÷è êâàçàðû ÿâíî íå ãîäÿòñÿ. Íî çàòî îíè îêàçàëèñü íåçàìåíèìû äëÿ äðóãèõ öåëåé. Âî-ïåðâûõ, ñà-
9.3. Êâàçàðû êàê èíñòðóìåíò äëÿ èçó÷åíèÿ Ìåòàãàëàêòèêè
387
Ðèñ. 9.22. Äèàãðàììà Õàááëà äëÿ êâàçàðîâ.
ìî èõ îáíàðóæåíèå íà î÷åíü áîëüøèõ z ñòàëî ñâèäåòåëüñòâîì ðàííåãî ôîðìèðîâàíèÿ îáúåêòîâ âî Âñåëåííîé, à íàëè÷èå â ñïåêòðàõ êâàçàðîâ ëèíèé òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ ãîâîðèò î åùå áîëåå ðàííåì ôîðìèðîâàíèè çâåçä, îáîãàòèâøèõ ñðåäó ìåòàëëàìè. Âî-âòîðûõ, îêàçàëîñü î÷åíü óäîáíûì èñïîëüçîâàòü êâàçàðû êàê ñâîåîáðàçíûå «ùóïû Âñåëåííîé», êîòîðûå ïðîñâå÷èâàþò ïîëóïðîçðà÷íûå îáúåêòû — ãàëàêòèêè, îáëàêà ìåæãàëàêòè÷åñêîãî ãàçà, — ëåæàùèå íà ëó÷å çðåíèÿ îò íèõ äî íàñ. 9.3.1. Ëèíèè ïîãëîùåíèÿ â ñïåêòðàõ êâàçàðîâ Ïîñëå îáíàðóæåíèÿ â 1965 ã. êâàçàðà 3Ñ 9, èìåþùåãî z » 2, è îòîæäåñòâëåíèÿ â åãî ñïåêòðå óëüòðàôèîëåòîâîé ëèíèè Lya íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà (121,6 íì), êîòîðàÿ èç-çà áîëüøîãî êðàñíîãî ñìåùåíèÿ ñäâèíóëàñü â îïòè÷åñêèé äèàïàçîí, íàáëþäàåìûé ñ Çåìëè, ïîÿâèëàñü âîçìîæíîñòü äëÿ îöåíêè ïëîòíîñòè íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà â ìåæãàëàêòè÷åñêîé ñðåäå. Ýòèì ñðàçó æå ïîïûòàëèñü âîñïîëüçîâàòüñÿ Äæ. Ãàíí è Á. Ïåòåðñîí, íî èõ æäàëî ðàçî÷àðîâàíèå. Îíè ñìîãëè îïðåäåëèòü ëèøü âåðõíèé ïðåäåë ñðåäíåé ïëîòíîñòè õîëîäíîãî ìåæãàëàêòè÷åñêîãî ãàçà, n(HI) < 10–11 ñì–3, òàê êàê çàìåòíîãî ïîäàâ-
388
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Ðèñ. 9.23. Äèàãðàììà Õàááëà äëÿ ðàäèîãàëàêòèê èç êàòàëîãîâ 3C, 6C è NIRC HzRG, îáû÷íî ïðåäñòàâëÿþùèõ ÿð÷àéøèå ãàëàêòèêè â ñêîïëåíèÿõ. Ëèíèÿìè ïîêàçàíû äâå ìîäåëè ýâîëþöèè ÿðêîñòè ãàëàêòèêè, â êîòîðîé ïðîèñõîäèò åäèíñòâåííàÿ âñïûøêà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ïðè zf = 20 ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ 109 èëè 108 ëåò. Ïðè ìîäåëèðîâàíèè ïðèíÿòî H0 = 65 êì/(c · Ìïê), Ù0 = 0,3; L0 = 0. Ïî äàííûì W. van Breugel è äð., 1999.
ëåíèÿ ÿðêîñòè ñèíåãî êðûëà ëèíèè èçëó÷åíèÿ Lya è ñëåäóþùåãî çà íèì êîíòèíóóìà îíè íå îáíàðóæèëè. È ëèøü ÷åðåç òðè äåñÿòèëåòèÿ, êîãäà áûëè îòêðûòû êâàçàðû ñ zem > 5, ýôôåêò Ãàííà—Ïåòåðñîíà â èõ ñïåêòðàõ áûë çàôèêñèðîâàí. Ýòî ãîâîðèò î òîì, ÷òî íà ðàííèõ ýòàïàõ ýâîëþöèè Ìåòàãàëàêòèêè áûëà ýïîõà âòîðè÷íîé èîíèçàöèè, êîãäà ïîñëå ýïîõè ðåêîìáèíàöèè (z » 1400) è ïîñëåäîâàâøåé çà íåé òåìíîé ýïîõè îõëàæäàþùåãîñÿ ãàçà íåéòðàëüíûé âîäîðîä âíîâü îêàçàëñÿ ñèëüíî èîíèçîâàí ïðè z* » 3 ¸ 4. Ïîýòîìó ïðè z < z* èçëó÷åíèå êâàçàðîâ ïî÷òè íå ïîãëîùàåòñÿ â ëèíèÿõ íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà, ïîñêîëüêó åãî â ìåæãàëàêòè÷åñêîì ïðîñòðàíñòâå îñòàëîñü
9.3. Êâàçàðû êàê èíñòðóìåíò äëÿ èçó÷åíèÿ Ìåòàãàëàêòèêè
389
Ðèñ. 9.24. Òèïè÷íûå ñïåêòðû îòíîñèòåëüíî áëèçêîãî (z = 0,158) è çíà÷èòåëüíî áîëåå äàëåêîãî (z = 3,62) êâàçàðîâ. Îòäåëüíûå ëèíèè ïîãëîùåíèÿ Lya â ñïåêòðå äàëåêîãî êâàçàðà ïðåâðàùàþòñÿ â «ãóñòîé ëåñ».
ìàëî. Òîëüêî ïðè z > z* (ò. å. äî ýïîõè âòîðè÷íîé èîíèçàöèè) îïòè÷åñêàÿ òîëùà íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà äîñòàòî÷íà äëÿ ïîãëîùåíèÿ êâàíòîâ ñèíåãî êðûëà ëèíèè Lya, èìåþùèõ íàáëþäàåìóþ äëèíó âîëíû ë < 121,6 íì (1 + z*). Ïðèìåðû ñïåêòðîâ ñ «Lya-ëåñîì» ïîêàçàíû íà ðèñ. 9.24 è 9.25.  ñïåêòðå áîëåå áëèçêîãî êâàçàðà (z = 0,158) åùå ïðîÿâëÿþò ñåáÿ îòäåëüíûå îáëàêà íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà, äàþùèå óçêèå ëèíèè ïîãëîùåíèÿ ñëåâà îò ëèíèè èçëó÷åíèÿ Lyá ñàìîãî êâàçàðà.  ñïåêòðàõ áîëåå äàëåêèõ êâàçàðîâ (z = 3,0 è z = 3,62) óæå íàáëþäàåòñÿ «ãóñòîé ëåñ» ëèíèé ïîãëîùåíèÿ. À â ñïåêòðå íàèáîëåå äàëåêîãî èç ýòèõ êâàçàðîâ (z = 4,55) îòäåëüíûå «ïðîâàëû» ëèíèé ñëèëèñü â ñïëîøíóþ «äîëèíó» — ïîÿâèëàñü îáëàñòü ñèëüíîãî ïîãëîùåíèÿ â íåéòðàëüíîì âîäîðîäå ïî ïóòè îò êâàçàðà ê íàì; ýòî è åñòü òîò ýôôåêò, êîòîðûé èñêàëè Ãàíí è Ïåòåðñîí. Îáðàòèòå òàêæå âíèìàíèå íà øèðîêèå ëèíèè ïîãëîùåíèÿ Lyá è Lyâ â ñïåêòðå êâàçàðà ñ z = 3,0 íà ðèñ. 9.25: îíè âîçíèêëè â ïîòîêå ãàçà, ñòðåìèòåëüíî îòòåêàþùåì îò ÿäðà ñàìîãî êâàçàðà.  ðàñïðåäåëåíèè ïî êðàñíûì ñìåùåíèÿì ëèíèè Lya-ëåñà íå ïðîÿâëÿþò ÿâíîé ñêó÷åííîñòè ïðè êàêèõ-ëèáî çíà÷åíèÿõ z, õîòÿ íåáîëüøóþ íåîäíîðîäíîñòü íà ìàñøòàáàõ 60 è 127 Ìïê âñå æå ìîæíî çàìå-
390
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Ðèñ. 9.25. Òèïè÷íûå ñïåêòðû êâàçàðîâ ñ z = 3,0 è z = 4,55, äåìîíñòðèðóþùèå Lya-ëåñ ëèíèé ïîãëîùåíèÿ. Ó áîëåå äàëåêîãî êâàçàðà (z = 4,55) ýòîò «ëåñ» ïðåâðàòèëñÿ â ñïëîøíîé ïðîâàë (ýôôåêò Ãàííà—Ïåòåðñîíà).
òèòü. Çàòî êîëè÷åñòâî ëèíèé (N) íà åäèíè÷íûé èíòåðâàë êðàñíîãî ñìåùåíèÿ ÿâíî ïðåòåðïåâàåò ðåçêèé èçëîì ïðè zabs » 1,5: 0 , 75 ïðè z < 1,5 , dN ìï (1 + z ) =í 2,2 dz ïî (1 + z ) ïðè z > 1,5 . Èíòåðåñíî, ÷òî âáëèçè êâàçàðîâ ëèíèè ïîãëîùåíèÿ Lya èñ÷åçàþò; ïî-âèäèìîìó, âîäîðîä òàì èîíèçóåòñÿ ìîùíûì ÓÔ-èçëó÷åíèåì ñàìîãî êâàçàðà. Ïî ñóùåñòâóþùèì ïðåäñòàâëåíèÿì, îáëàêà íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà, îòâåòñòâåííûå çà ïîÿâëåíèÿ â ñïåêòðàõ êâàçàðîâ ëèíèé Lya-ëåñà, ÿâëÿþòñÿ óïëîùåííûìè îáðàçîâàíèÿìè («áëèíàìè») äèàìåòðîì íåñêîëüêî ìåãàïàðñåêîâ è òîëùèíîé ~100 êïê. Ñóäÿ ïî ãëóáèíå ëèíèé, ïîâåðõíîñòíàÿ ïëîòíîñòü îáëàêîâ ñîñòàâëÿåò îò 1013 äî 1021 ñì–2. Èõ ìàññû îöåíèâàþòñÿ â 109–1010 MA. Ïî-âèäèìîìó, ýòè îáëàêà åùå íå ïðèøëè â ðàâíîâåñèå è ïðîäîëæàþò ñæèìàòüñÿ ïî ìàëîé îñè è ðàñøèðÿòüñÿ â äðóãèõ íàïðàâëåíèÿõ. Ñî âðåìåíåì îíè ìî-
9.3. Êâàçàðû êàê èíñòðóìåíò äëÿ èçó÷åíèÿ Ìåòàãàëàêòèêè
391
ãóò ïðåâðàòèòüñÿ â ãàëàêòèêè ñ ãàëî èç òåìíîãî âåùåñòâà, êîòîðîå óäåðæèâàåò èõ îò ðàçâàëà. Êðîìå óçêèõ ëèíèé ïîãëîùåíèÿ Lyá-ëåñà, â ñïåêòðàõ ÿðêèõ êâàçàðîâ íàáëþäàþòñÿ è îñîáåííîñòè ñ áîëüøåé ïîâåðõíîñòíîé ïëîòíîñòüþ, âïëîòü äî 1023 ñì–2, ïðè êîòîðîé ëèíèè óøèðÿþòñÿ. Ýòî ëèáî îðèåíòèðîâàííûå ê íàì ðåáðîì «áëèíû» èç íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà, ëèáî êîðîíû ìàññèâíûõ ãàëàêòèê.  ïîñëåäíèõ ôîðìèðóþòñÿ è ëèíèè ïîãëîùåíèÿ èîíîâ ðÿäà ìåòàëëîâ: Mg II, C IV, Si IV, Ca II, Na I è äð.  îòëè÷èå îò ëèíèé Lya-ëåñà, ëèíèè ìåòàëëîâ ñêó÷åíû â ïðîñòðàíñòâå, êàê ñêó÷åíû è ñàìè ãàëàêòèêè, ïîñêîëüêó îíè âõîäÿò â ñîñòàâ ãðóïï, ñêîïëåíèé èëè ñâåðõñêîïëåíèé. Ñêîðåå âñåãî, ëèíèè ïîãëîùåíèÿ ìåòàëëîâ âîçíèêàþò ïðè ïðîõîæäåíèè ñâåòà ñêâîçü äèñêè ãàëàêòèê.  ñïåêòðàõ ïî÷òè 800 êâàçàðîâ (z < 4) íàéäåíî â ñóììå îêîëî 21 000 ëèíèé ïîãëîùåíèÿ èîíîâ òÿæåëûõ ìåòàëëîâ, êîòîðûå ñîáðàíû ïðèìåðíî â 2500 ñèñòåì. ×òîáû èñêëþ÷èòü ëèíèè ïîãëîùåíèÿ, ôîðìèðóþùèåñÿ â ðàçëåòàþùåéñÿ îáîëî÷êå ñàìîãî êâàçàðà, íå ó÷èòûâàþòñÿ ëèíèè, îòñòîÿùèå ïî zabs îò zem íà Dz < 10–2, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ðàçíîñòè ñêîðîñòåé 3000 êì/ñ. Êðóïíîìàñøòàáíóþ ñòðóêòóðó â ðàñïðåäåëåíèè äàëåêèõ ãàëàêòèê òðóäíî âûÿâèòü ïóòåì ïðÿìûõ íàáëþäåíèé, íî, èçó÷àÿ ðàñïðåäåëåíèå ëèíèé ïîãëîùåíèÿ ìåòàëëîâ â ñïåêòðàõ êâàçàðîâ ïî íàïðàâëåíèþ íà íåáå è êðàñíîìó ñìåùåíèþ, ýòî óäàåòñÿ ñäåëàòü. Òàêèì ñïîñîáîì áûëà îáíàðóæåíà êâàçèïåðèîäè÷íîñòü â ðàñïðåäåëåíèè àáñîðáöèîííûõ ñèñòåì, èìåþùàÿ ïðîñòðàíñòâåííûé øàã â ñîïóòñòâóþùåé ñèñòåìå êîîðäèíàò îêîëî 100/h Ìïê, ãäå h — êîíñòàíòà Õàááëà â åäèíèöàõ 100 êì/(ñ · Ìïê). Ìàñøòàá â 100 Ìïê êàê ðàç ñîîòâåòñòâóåò ñðåäíåìó ðàññòîÿíèþ ìåæäó ñâåðõñêîïëåíèÿìè è, çíà÷èò, ñâÿçàí ñ êðóïíîìàñøòàáíîé ñòðóêòóðîé Ìåòàãàëàêòèêè. Êñòàòè, ïîïûòêè íàéòè êàêóþ-òî ïåðèîäè÷íîñòü â ðàñïðåäåëåíèè êâàçàðîâ ïî êðàñíûì ñìåùåíèÿì óñïåõîì íå óâåí÷àëèñü. Êâàçàðû î÷åíü ðåäêè è ïîýòîìó íå «îáðèñîâûâàþò» ñòðóêòóðó ñâåðõñêîïëåíèé. 9.3.2. Ãðàâèòàöèîííîå ëèíçèðîâàíèå êâàçàðîâ Êîãäà íà ôîíå èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ ðàñïîëàãàåòñÿ ìàññèâíûé îáúåêò, îí îêàçûâàåò ãðàâèòàöèîííîå âëèÿíèå íà ïðîõîäÿùèå ìèìî íåãî ëó÷è, ò. å. âûñòóïàåò â ðîëè «ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû», èñêàæàþùåé ÿðêîñòü è âèä ëåæàùåãî çà íèì èñòî÷íèêà. Ïðèíöèïèàëüíàÿ âîçìîæíîñòü ãðàâèòàöèîííîãî îòêëîíåíèÿ ñâåòà áûëà ïðåäñêàçàíà Ýéíøòåéíîì è äîêàçàíà íàáëþäåíèÿìè ïî ñìåùåíèþ èçîáðàæåíèé çâåçä âáëèçè äèñêà Ñîëíöà âî âðåìÿ ïîëíîãî ñîëíå÷íîãî çàòìåíèÿ 1919 ã.
392
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Åñëè ëó÷ ïðîõîäèò íà ìèíèìàëüíîì ðàññòîÿíèè r îò òåëà ìàññû M, òî óãîë åãî îòêëîíåíèÿ îò íåâîçìóùåííîãî íàïðàâëåíèÿ ñîñòàâëÿåò q=
4GM M RA (ðàäèàí) = 1,75² . 2 MA r rc
òåéíà—Õâ î ëü éíø ñî
Êî
îÝ üö
íà
ë
Ïåðâûì èñïîëüçîâàë òåðìèí «ëèíçà», ãîâîðÿ îá îòêëîíåíèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ëó÷à ãðàâèòàöèåé, ïî-âèäèìîìó, àíãëèéñêèé ôèçèê Îëèâåð Ëîäæ (1851–1940), êîòîðûé â 1919 ã. îòìåòèë, ÷òî «ãðàâèòàöèîííîå ïîëå äåéñòâóåò, êàê ëèíçà, íî íå èìååò ôîêóñíîãî ðàññòîÿíèÿ». Îí îêàçàëñÿ ïðàâ: ïîñêîëüêó äåéñòâèå ãðàâèòàöèè áûñòðî îñëàáåâàåò ñ ðàññòîÿíèåì îò èñòî÷íèêà (îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî êâàäðàòó ðàññòîÿíèÿ), ôîêóñèðóþùåå äåéñòâèå ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû îòëè÷àåòñÿ îò äåéñòâèÿ åå ñòåêëÿííîãî àíàëîãà. Åñëè îáû÷íàÿ ëèíçà ñîáèðàåò âåñü ïàäàþùèé íà íåå ñâåò â îäíîé òî÷êå ôîêóñà, òî ãðàâèòàöèîííàÿ ëèíçà òîëüêî îòêëîíÿåò ëó÷è ê îïòè÷åñêîé îñè, íî íå ìîæåò ñîáðàòü èõ â åäèíîì ôîêóñå: ÷åì äàëüøå ïðîõîäÿò ëó÷è îò èñòî÷íèêà ãðàâèòàöèè, òåì íà áîëüøåì ðàññòîÿíèè îò íåãî ýòè ëó÷è ïåðåñåêàþòñÿ. Ïîýòîìó ôîêóñèðóþùèé ýôôåêò ïðîñòåéøåé ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû (â âèäå òî÷å÷íîé ìàññû) âåñüìà ñëàá è íå ìîæåò î÷åíü ñèëüíî óâåëè÷èòü ÿðêîñòü èçîáðàæåíèÿ èñòî÷íèêà ñâåòà. Òåì íå ìåíåå, óáåäèâøèñü, ÷òî îòêëîíåíèå ñâåòà ãðàâèòàöèåé äåéñòâèòåëüíî íàáëþäàåòñÿ, àñòðîíîìû è ôèçèêè ñòàëè îáñóæäàòü âîçìîæíîñòü ãðàâèòàöèîííîãî ëèíçèðîâàíèÿ äàëåêèõ çâåçä èõ áîëåå áëèçêèìè ê íàì «ðîäñòâåííèêàìè». Íûíå ýòîò ýôôåêò íàçûâàþò ìèêðîëèíçèðîâàíèåì. Ïåðâîå îïèñàíèå ýòîãî ýôôåêòà äàë ïåòåðáóðãñêèé ïðîôåññîð ôèçèêè Îðåñò Äàíèèëîâè÷ Õâîëüñîí (1924 ã.). Ïåðâûå ðàñ÷åòû â 1936 ã. ïðîäåëàëè ëåíèíãðàäñêèé àñòðîíîì Ãàâðèèë Àäðèàíîâè÷ Òèõîâ è ñàì Ýéíøòåéí. Îíè ïðèøëè ê âûâîäó, ÷òî â ñëó÷àå, êîãäà îáå çâåçäû è íàáëþäàòåëü íàõîäÿòñÿ íà îäíîé ïðÿìîé, èçîáðàæåíèå äàëåêîé
Ëèíçà Èñòî÷íèê
Ðèñ. 9.26. Ýôôåêò òî÷å÷íîé ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû ñîçäàåò äâà èçîáðàæåíèÿ èñòî÷íèêà, ïðè÷åì ñàìà ëèíçà, èñòî÷íèê è îáà åãî èçîáðàæåíèÿ â êàðòèííîé ïëîñêîñòè âñåãäà ëåæàò íà îäíîé ïðÿìîé. Åñëè ëèíçà îêàçûâàåòñÿ íà îäíîì ëó÷å çðåíèÿ ñ èñòî÷íèêîì, åãî èçîáðàæåíèÿ ñëèâàþòñÿ â ñïëîøíîå êîëüöî.
9.3. Êâàçàðû êàê èíñòðóìåíò äëÿ èçó÷åíèÿ Ìåòàãàëàêòèêè
393
çâåçäû áóäåò èìåòü ôîðìó êîëüöà.  ðàìêàõ ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè áûëî ïîêàçàíî, ÷òî â ïðèíöèïå âîçìîæíî çàìåòíîå (>1,34) óñèëåíèå ÿðêîñòè ëèíçèðîâàííîãî îáúåêòà, íî òîëüêî â òîì ñëó÷àå, åñëè ëó÷ çðåíèÿ ê äàëåêîé çâåçäå ïðîõîäèò â ïðåäåëàõ íåêîòîðîãî ðàññòîÿíèÿ îò çâåçäû, ñëóæàùåé ëèíçîé. Ýòî ðàññòîÿíèå íàçûâàþò ðàäèóñîì Ýéíøòåéíà—Õâîëüñîíà: R EH =
4GMD l D ls c 2 Ds
.
Çäåñü M — ìàññà ëèíçû, Dl — ðàññòîÿíèå îò íàáëþäàòåëÿ äî ëèíçû, Ds — ðàññòîÿíèå îò íàáëþäàòåëÿ äî èñòî÷íèêà, Dls — ðàññòîÿíèå îò ëèíçû äî èñòî÷íèêà. Óñèëåíèå ÿðêîñòè èñòî÷íèêà ïðè ýòîì ñîñòàâëÿeò 2 + x2 , A= x 4 + x2 ãäå x — ðàññòîÿíèå ëèíçû îò ëó÷à çðåíèÿ íàáëþäàòåëÿ ê èñòî÷íèêó â åäèíèöàõ REH. Ôîðìàëüíî äëÿ òî÷å÷íûõ îáúåêòîâ ïðè óìåíüøåíèè x óñèëåíèå ÿðêîñòè ñòðåìèòñÿ ê áåñêîíå÷íîñòè, íî äëÿ îáúåêòîâ êîíå÷íîãî ðàçìåðà îíî âñåãäà êîíå÷íî, õîòÿ è ìîæåò áûòü âåñüìà çíà÷èòåëüíûì. Îäíàêî ïðîñòûå îöåíêè, ñäåëàííûå Ýéíøòåéíîì, Ýääèíãòîíîì è äðóãèìè àñòðîôèçèêàìè, ïîêàçàëè, ÷òî âåðîÿòíîñòü ëèíçèðîâàíèÿ çâåçä íà çâåçäàõ î÷åíü ìàëà: ÷òîáû çàìåòèòü ýôôåêò, íàäî äëèòåëüíîå âðåìÿ îòñëåæèâàòü èçìåíåíèÿ ÿðêîñòè ìèëëèîíîâ çâåçä, ÷òî äî ïîÿâëåíèÿ ñîâðåìåííûõ àâòîìàòèçèðîâàííûõ òåëåñêîïîâ áûëî íåâîçìîæíî.  ñâîåé ñòàòüå «Ëèíçîïîäîáíîå äåéñòâèå çâåçäû ïðè îòêëîíåíèè ñâåòà â ãðàâèòàöèîííîì ïîëå», îïóáëèêîâàííîé â æóðíàëå «Science» â 1936 ã., Ýéíøòåéí ïèñàë: «Êîíå÷íî, íåëüçÿ íàäåÿòüñÿ íà òî, ÷òî óäàñòñÿ ïðÿìî íàáëþäàòü ýòî ÿâëåíèå». Íî óæå â 1937 ã. Ôðèö Öâèêêè (1898–1974) òåîðåòè÷åñêè ïðèøåë ê âûâîäó, ÷òî ýôôåêò ãðàâèòàöèîííîé ôîêóñèðîâêè ñâåòà ìîæíî íàáëþäàòü â òîì ñëó÷àå, åñëè ëèíçîé ÿâëÿåòñÿ ãàëàêòèêà, ïîñêîëüêó åå ãðàâèòàöèîííîå ïîëå î÷åíü âåëèêî, à ñðåäíÿÿ ïîâåðõíîñòíàÿ ÿðêîñòü äîâîëüíî ìàëà è ïîýòîìó íå äîëæíà ñèëüíî ìåøàòü íàáëþäåíèþ. Öâèêêè îáðàòèë âíèìàíèå, ÷òî âåðîÿòíîñòü ëèíçèðîâàíèÿ ãàëàêòèê íà ãàëàêòèêàõ ìîæåò áûòü ãîðàçäî âûøå, ÷åì çâåçä íà çâåçäàõ, è óäèâëÿëñÿ, ïî÷åìó ýòîò ýôôåêò íå íàáëþäàåòñÿ.  1979 ã. àíãëèéñêèé àñòðîíîì Äåííèñ Âîëø îáíàðóæèë, ÷òî èçîáðàæåíèå êâàçàðà QSO 0957+561 ñîñòîèò èç äâóõ êîìïîíåíòîâ — A è B, ðàçäåëåííûõ óãëîâûì ðàññòîÿíèåì Dq = 6² (ðèñ. 9.27) è èìåþùèõ
394
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Ðèñ. 9.27. Êâàçàð Q0957+561 A, B, â èçîáðàæåíèè êîòîðîãî âïåðâûå áûë îáíàðóæåí ýôôåêò ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû. Âáëèçè íèæíåãî èçîáðàæåíèÿ êâàçàðà âèäíà ãàëàêòèêà-ëèíçà.
ñõîæèå ñâîéñòâà: îäèíàêîâûå êðàñíûå ñìåùåíèÿ (zem = 1,41), ïî÷òè îäèíàêîâûå ÿðêîñòè è ïîõîæèå ñïåêòðû. Ñðàçó áûëî ïðåäëîæåíî äâà âîçìîæíûõ îáúÿñíåíèÿ ýòîãî ôåíîìåíà: ëèáî ýòî ãðàâëèíçîâûå èçîáðàæåíèÿ îäíîãî êâàçàðà, ëèáî èñòèííàÿ ïàðà êâàçàðîâ, ò. å. àêòèâíûå ÿäðà äâóõ ñîñåäíèõ ãàëàêòèê. Åñëè ýòî ýôôåêò ãðàâëèíçû, òî íàäî èñêàòü ãàëàêòèêó-ëèíçó, à åñëè ýòî èñòèííàÿ ïàðà, òî ìåæäó íàìè äîëæíû íàáëþäàòüñÿ ñëåäû âçàèìîäåéñòâèÿ. Êðîìå òîãî, â ãðàâëèíçîâûõ èçîáðàæåíèÿõ, ñâåò êîòîðûõ ïðèõîäèò ê íàì ðàçíûìè ïóòÿìè, äîëæåí íàáëþäàòüñÿ ñäâèã ïî âðåìåíè â êîëåáàíèÿõ áëåñêà ðàçíûõ èçîáðàæåíèé, åñëè, êîíå÷íî, ñàì ëèíçèðóåìûé êâàçàð ïåðåìåíåí. Âñêîðå ãàëàêòèêà-ëèíçà áûëà îáíàðóæåíà. Îíà íàõîäèòñÿ âáëèçè èçîáðàæåíèÿ B è èìååò z = 0,355. Ïðè òàêîì àñèììåòðè÷íîì ðàñïîëîæåíèè ëèíçû îòíîñèòåëüíî èçîáðàæåíèé A è B áûëî ñòðàííî, ÷òî âèäèìûé áëåñê èçîáðàæåíèé ïî÷òè îäèíàêîâ. Äëÿ óñòðàíåíèÿ ýòîãî ïðîòèâîðå÷èÿ ïðèøëîñü ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ãðàâëèíçîâîå âîçäåéñòâèå îêàçûâàåò íå òîëüêî ãàëàêòèêà, ïîïàâøàÿ íà ëó÷ çðåíèÿ ê äàëåêîìó êâàçàðó, íî è ìàññèâíîå ñêîïëåíèå ãàëàêòèê, â ñîñòàâ êîòîðîãî ýòà ãàëàêòèêà âõîäèò. Äåéñòâèòåëüíî, âûÿñíèëîñü, ÷òî ýòà ãèãàíòñêàÿ ýëëèïòè÷åñêàÿ ãàëàêòèêà òèïà cD ðàñïîëàãàåòñÿ â ñêîïëåíèè. Ïîçæå íàøëè è çàäåðæêó â ïåðåìåííîñòè èçîáðàæåíèé A è B, êîòîðàÿ îêàçàëàñü ðàâíîé DT » 423 ñóòîê. Êñòàòè, ïî äëèòåëüíîñòè ýòîé çàäåðæêè ìîæíî íåçàâèñèìî îò äðóãèõ ìåòîäîâ îïðåäåëÿòü çíà÷åíèå êîíñòàíòû Õàááëà: H0 ~ Dq2rad /DT.  ñðåäíåì äëÿ 10 ãðàâëèíçèðîâàííûõ êâàçàðîâ ýòîò ìåòîä äàåò H0 = (72 ± 10) êì/(ñ · Ìïê), ÷òî ñîîòâåòñòâóåò âîçðàñòó Ìåòàãàëàêòèêè (13,5 ± 2) ìëðä ëåò. Ãðàâëèíçîâûå èçîáðàæåíèÿ áûâàþò ñëîæíîé ñòðóêòóðû: ñîñòîÿò èç íåñêîëüêèõ èçîáðàæåíèé ðàçíîé ÿðêîñòè è ïðîòÿæåííûõ äóã, áëèç-
9.3. Êâàçàðû êàê èíñòðóìåíò äëÿ èçó÷åíèÿ Ìåòàãàëàêòèêè
395
Ðèñ. 9.28. Êðåñò Ýéíøòåéíà — ýôôåêò ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû, ãäå â êà÷åñòâå ôîíîâîãî èñòî÷íèêà ñâåòà âûñòóïàåò äàëåêèé êâàçàð QSO 2237+0305 (zem = 1,695), à ëèíçîé ñëóæèò áîëåå áëèçêàÿ, íî ïî÷òè íå çàìåòíàÿ íà ñíèìêå ãàëàêòèêà òèïà Sab (z = 0,039). Åå öåíòðàëüíóþ ÷àñòü ìîæíî ðàçëè÷èòü íà ëåâîì ñíèìêå. Âèäèìûé ðàçìåð ãàëàêòèêè 52²´20², òîãäà êàê ðàçìåð Êðåñòà â åå öåíòðå 1,6²´1,6². Ôîòî ñïðàâà: «Õàááë» (NASA). Ôîòî ñëåâà: J. Rhoads, S. Malhotra, I. Dell’Antonio WIYN/NOAO/NSF.
êèõ ïî êîíôèãóðàöèè ê îòðåçêàì êîëüöà Ýéíøòåéíà—Õâîëüñîíà, êîòîðîå íàáëþäàåòñÿ â ñëó÷àå èäåàëüíîé ëèíçû ïðè ïîïàäàíèè èñòî÷íèêà òî÷íî íà ëó÷ çðåíèÿ «íàáëþäàòåëü—ãðàâëèíçà». Èíòåðåñíûì ïðèìåðîì ñëîæíîãî ãðàâëèíçîâîãî èçîáðàæåíèÿ ñëóæèò Êðåñò Ýéíøòåéíà, ñîñòîÿùèé èç ÷åòûðåõ ðàçíîÿðêèõ èçîáðàæåíèé êâàçàðà, íàáëþäàåìîãî âñåãî â 3² îò ÿäðà ñïèðàëüíîé ãàëàêòèêè (ðèñ. 9.28). ßðêîñòè èçîáðàæåíèé ñî âðåìåíåì èçìåíÿþòñÿ (êàê â åëî÷íîé ãèðëÿíäå), ïî-âèäèìîìó, èç-çà ïîïàäàíèÿ íà ëó÷ çðåíèÿ îòäåëüíûõ çâåçä ãàëàêòèêè-ëèíçû, êîòîðàÿ áûñòðî äâèæåòñÿ â êàðòèííîé ïëîñêîñòè. Ýòîò ýôôåêò ìåðöàíèÿ, âûçâàííûé ãðàâèòàöèîííûìè ïîëÿìè îòäåëüíûõ çâåçä, êàê ìû óæå çíàåì, íàçûâàþò ìèêðîëèíçèðîâàíèåì. Îí íàêëàäûâàåòñÿ íà ñèëüíîå ëèíçèðîâàíèå, êîòîðîå ïðèâîäèò ê ðàñùåïëåíèþ èçîáðàæåíèé è äîáàâëÿåò â íåãî èçìåíåíèå ÿðêîñòè îòäåëüíûõ êîìïîíåíòîâ. Ýôôåêò ãðàâèòàöèîííîãî ëèíçèðîâàíèÿ øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ ïðè ïîèñêàõ äàëåêèõ ñëàáûõ îáúåêòîâ: èõ èùóò â ïîëÿõ áëèçêèõ áîãàòûõ ñêîïëåíèé ãàëàêòèê, êîòîðûå ñëóæàò ìîùíûìè ãðàâèòàöèîííûìè ëèíçàìè. Ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî êàæäîå ñêîïëåíèå ãàëàêòèê — ýòî ïðèðîäíûé òåëåñêîï ñ «îáúåêòèâîì» äèàìåòðîì â 1 Ìïê; íóæíî òîëüêî ñóìåòü èì âîñïîëüçîâàòüñÿ. Èìåííî áëàãîäàðÿ ýôôåêòó ãðàâëèíçû áûëè îáíàðóæåíû ìíîãèå èç íàèáîëåå äàëåêèõ ñðåäè èçâåñòíûõ ñåé-
396
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
÷àñ êâàçàðîâ è ãàëàêòèêè, ñàìûå óäàëåííûå èç êîòîðûõ èìåþò z » 8 ¸ 9. Ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè îòêðûòî óæå íåñêîëüêî ñîòåí òàêèõ êâàçàðîâ, áîëüøèíñòâî èç êîòîðûõ íàéäåíû êàê òåñíàÿ ïàðà ðàäèîèñòî÷íèêîâ ñ ïîõîæèìè ðàäèîñïåêòðàìè. Ñëåäóåò çàìåòèòü, ÷òî èçðåäêà âñòðå÷àþòñÿ èñòèííûå òåñíûå ïàðû êâàçàðîâ, âûäåëÿþùèåñÿ ïî ñëåäàì âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó èõ õîçÿéñêèìè ãàëàêòèêàìè. Ïðèìåð — ÊÇÎ PHL 1222 A, B ñ z » 1,9 ñ ðàçíîñîì â 3,3². Âîîáùå õîçÿéñêèå ãàëàêòèêè äàæå îäèíî÷íûõ êâàçàðîâ ÷àñòî èìåþò ñëåäû èíòåíñèâíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ èëè ïðîèçîøåäøåãî â ïðîøëîì ñëèÿíèÿ. Ïî-âèäèìîìó, äåëî â òîì, ÷òî ãðàâèòàöèîííûå âîçìóùåíèÿ ñïîñîáñòâóþò ïîïàäàíèþ ãàçà â öåíòðàëüíûå îáëàñòè ãàëàêòèê ñ ïîñëåäóþùåé åãî àêêðåöèåé íà ñâåðõìàññèâíóþ ÷åðíóþ äûðó, ÷òî ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç íåîáõîäèìûõ óñëîâèé àêòèâíîñòè ÿäðà.
9.4. Îöåíêà ìàññ êîìïàêòíûõ îáúåêòîâ â ÿäðàõ ãàëàêòèê Èòàê, àêòèâíîñòü ÿäåð ãàëàêòèê ñâÿçûâàþò ñ ðàçëè÷íûìè ïðîÿâëåíèÿìè çàìàãíè÷åííîãî àêêðåöèîííîãî äèñêà âîêðóã ìàññèâíîãî öåíòðàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ, â ðîëè êîòîðîãî îáû÷íî âèäÿò ñâåðõìàññèâíóþ ÷åðíóþ äûðó. Íî ïîêà ýòî ëèøü ãèïîòåçà. Äëÿ åå óáåäèòåëüíîãî äîêàçàòåëüñòâà íåîáõîäèìî çíàòü ðàçìåð èçëó÷àþùåé îáëàñòè, òàê êàê èç òåîðèè ãðàâèòàöèè èçâåñòíî, ÷òî ðàäèóñ ïîñëåäíåé óñòîé÷èâîé îðáèòû âáëèçè ÷åðíîé äûðû ðàâåí 3rg. Íàïîìíèì, ÷òî ãðàâèòàöèîííûé ðàäèóñ rg = 2GM/c 2 » 2 à. å. (M/108 MA). Åñëè æå äûðà âðàùàåòñÿ, òî ýòîò ðàäèóñ åùå ìåíüøå. Ñâåäåíèÿ î ðàçìåðàõ îáëàñòè èçëó÷åíèÿ ïîëó÷àþò ëèáî ïî õàðàêòåðíîìó âðåìåíè ïåðåìåííîñòè â ðåíòãåíîâñêîì è ãàììà-äèàïàçîíàõ, êîòîðîå ñîñòàâëÿåò ÷àñû, ëèáî ïî ðåíòãåíîâñêîé ëèíèè èçëó÷åíèÿ âîäîðîäîïîäîáíûõ èîíîâ æåëåçà (E = 6,4 êýÂ), êîòîðàÿ ôîðìèðóåòñÿ íà âíóòðåííåì êðàþ àêêðåöèîííîãî äèñêà. Àñèììåòðèÿ åå êðàñíîãî êðûëà ñâèäåòåëüñòâóåò î ãðàâèòàöèîííîì êðàñíîì ñìåùåíèè, îáóñëîâëåííîì áëèçîñòüþ ê ìàññèâíîé ÷åðíîé äûðå, ~(100 ¸ 1000) rg. Ýòèìè ìåòîäàìè ðàçìåðû èçëó÷àþùåé îáëàñòè îöåíèâàþòñÿ â 1014–1015 ñì, ÷òî íåäîñòóïíî äëÿ ðàçðåøåíèÿ ñ ïîìîùüþ íàçåìíûõ òåëåñêîïîâ äàæå â áëèæàéøèõ ãàëàêòèêàõ. ßäðî íàøåé Ãàëàêòèêè íåâîçìîæíî íàáëþäàòü â îïòè÷åñêîì äèàïàçîíå èç-çà î÷åíü ñèëüíîãî (25m) ïîãëîùåíèÿ ñâåòà ìåæçâåçäíîé ïûëüþ. Îäíàêî öåíòðàëüíûé ðàäèîèñòî÷íèê â ÿäðå (Sagittarius A, Sgr A) èññëåäîâàí äîâîëüíî ïîäðîáíî. Îí ñîñòîèò èç òðåõ êîìïîíåíòîâ: îñòàòêà ñâåðõíîâîé Sgr A East ðàçìåðîì îêîëî 8 ïê, ïðîåöèðóþùåéñÿ íà íåãî (â ñòîðîíå îò öåíòðà) òðåõðóêàâíîé «ìèíè-ñïèðàëè» Sgr A
9.4. Îöåíêà ìàññ êîìïàêòíûõ îáúåêòîâ â ÿäðàõ ãàëàêòèê
397
Ðèñ. 9.29. Öåíòð Ãàëàêòèêè. Ñëåâà: áëèæàéøèå îêðåñòíîñòè ðàäèîèñòî÷íèêà Sgr A* â ñîçâåçäèè Ñòðåëåö. Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî Sgr A* ñâÿçàí ñ ÷åðíîé äûðîé ìàññîé 4 · 106 M . Âîêðóã íåãî îáðàùàåòñÿ íåñêîëüêî ÿðêèõ çâåçä. Áëèæàéøàÿ èç íèõ, îðáèòó êîòîðîé óäàëîñü ïðîñëåäèòü (S2), äâèæåòñÿ ñ ïåðèîäîì 15,2 ãîäà. Ñïðàâà: ýëëèïòè÷åñêàÿ îðáèòà çâåçäû S2 ïî íàáëþäåíèÿì 1992–2002 ãã.
West ðàçìåðîì îêîëî 1 ïê è î÷åíü ÿðêîãî òî÷å÷íîãî ðàäèîèñòî÷íèêà â åå öåíòðå Sgr A*. Îñòàòîê ñâåðõíîâîé Sgr A East èìååò âîçðàñò îêîëî 50 òûñ. ëåò è ïî ýíåðãèè âçðûâà ðàç â 100 ïðåâîñõîäèò ñòàíäàðòíóþ ñâåðõíîâóþ. Åñòü ïðåäïîëîæåíèå, ÷òî ýòî îñòàòîê âçðûâà ìàññèâíîé çâåçäû, ñæàòîé ïðèëèâíîé ñèëîé â ìîìåíò ïðîëåòà áëèç öåíòðàëüíîé ñâåðõìàññèâíîé ÷åðíîé äûðû. «Ìèíè-ñïèðàëü» Sgr A West íà ñàìîì äåëå íå ÿâëÿåòñÿ ïëîñêîé ñïèðàëüþ, à ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êîìïëåêñ îáëàêîâ, ïîâåðõíîñòè êîòîðûõ èîíèçîâàíû ìîùíûì ÓÔ-èçëó÷åíèåì ìàññèâíûõ OB-çâåçä, êîòîðûõ áîëåå ñîòíè â ïðåäåëàõ öåíòðàëüíîãî ïàðñåêà. Îòäåëüíûå îáëàêà ýòîé «ñïèðàëè» ñî ñêîðîñòüþ îêîëî 1000 êì/ñ îáðàùàþòñÿ âîêðóã èñòî÷íèêà Sgr A* è, âîçìîæíî, ïàäàþò íà íåãî. Âñÿ îáëàñòü Sgr A West îêðóæåíà ìàññèâíûì òîðîì èç îáëàêîâ ìîëåêóëÿðíîãî ãàçà. Íåêîòîðûå äåòàëè «ñïèðàëè» ëåæàò íà âíóòðåííåì êðàå ýòîãî îêîëîÿäåðíîãî äèñêà. Îòêðûòûé â 1974 ã. ðàäèîèñòî÷íèê Sgr A* äî ñèõ ïîð íå óäàåòñÿ ðàçðåøèòü íà áîëåå ìåëêèå äåòàëè, õîòÿ âåðõíèé ïðåäåë åãî ðàçìåðà ãîä îò ãîäà óäàåòñÿ ïîíèçèòü. Ñåé÷àñ ñ ïîìîùüþ ðàäèîèíòåðôåðîìåòðà VLBI íà âîëíå 1,3 ìì îí îöåíèâàåòñÿ â 0,04 mas, ÷òî íà ðàññòîÿíèè äî öåíòðà Ãàëàêòèêè (8 êïê) ñîîòâåòñòâóåò ëèíåéíîìó ðàçìåðó âñåãî 0,3 à. å. Èíòåðåñíî ñîïîñòàâèòü ýòî ñ íàáëþäàåìûì ðàçìåðîì ÷åðíîé
398
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
äûðû, íàëè÷èå êîòîðîé âåñüìà óâåðåííî ñåé÷àñ ïðåäïîëàãàåòñÿ â öåíòðå Ãàëàêòèêè (ñì. íèæå). Ïðè ìàññå 4 · 106 M åå øâàðöøèëüäîâñêèé ðàäèóñ ãîðèçîíòà ñîáûòèé äîëæåí ñîñòàâëÿòü 0,08 à. å. Ýôôåêò ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû óâåëè÷èâàåò åãî ìèíèìóì â 5 ðàç è äåëàåò âèäèìûé ðàçìåð îêîëî 0,4 à. å. Òàê ÷òî, åñëè áû èñòî÷íèê Sgr A* ñîâïàäàë ñ ÷åðíîé äûðîé, åãî âèäèìûé ðàçìåð áûë áû áîëüøå íàáëþäàåìîãî. Ñêîðåå âñåãî, ýòî ãîðÿ÷åå ïÿòíî â îêðóæàþùåì äûðó àêêðåöèîííîì äèñêå èëè â âûáðîøåííîì èç íåãî äæåòå. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ìàññû öåíòðàëüíîãî êîìïàêòíîãî îáúåêòà â ÿäðàõ ãàëàêòèê â îñíîâíîì ïðèìåíÿþò ñëåäóþùèå ìåòîäû: äèíàìè÷åñêèé, ñïåêòðàëüíûé, ìåòîä øêàëèðîâàíèÿ (ýõîêàðòèðîâàíèÿ). Äèíàìè÷åñêèé ìåòîä îñíîâàí íà äîïóùåíèè, ÷òî èçëó÷àþùàÿ îáëàñòü âðàùàåòñÿ âîêðóã öåíòðàëüíîãî îáúåêòà íà ðàññòîÿíèè R ñ êðóãîâîé (ïåðâîé êîñìè÷åñêîé) ñêîðîñòüþ V = (GM/R)1/2 èëè îòäåëüíûå åå ÷àñòè õàîòè÷åñêè äâèæóòñÿ ñ òàêèìè æå âèðèàëüíûìè ñêîðîñòÿìè. Åñëè èç íàáëþäåíèé óäàåòñÿ îïðåäåëèòü çíà÷åíèå R, à ïî ñïåêòðó íàéòè V, òî ëåãêî îöåíèòü ìàññó âíóòðè ðàäèóñà R. Ñ ïîÿâëåíèåì ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ, ÷óâñòâèòåëüíûõ â áëèæíåì ÈÊ-äèàïàçîíå, è áîëüøèõ òåëåñêîïîâ ñ àäàïòèâíîé îïòèêîé, äàþùèõ èçîáðàæåíèÿ ñ óãëîâûì ðàçðåøåíèåì ìåíåå 0,1², ïîÿâèëàñü âîçìîæíîñòü îòñëåæèâàòü äâèæåíèå îòäåëüíûõ çâåçä â öåíòðå íàøåé Ãàëàêòèêè. Íà÷èíàÿ ñ 1992 ã. òàêèå íàáëþäåíèÿ â äèàïàçîíå 2 ìêì ïðîâîäèëèñü íà 3,5-ìåòðîâîì òåëåñêîïå îáñåðâàòîðèè Ïàðàíàë (ESO, ×èëè). Ê 2008 ã. áûëè îïðåäåëåíû îðáèòû 28 çâåçä ñ ïîçèöèîííîé òî÷íîñòüþ 0,3 mas (ñì. ðèñ. 7.31). Âûÿñíèëîñü, ÷òî îðáèòà îäíîé èç çâåçä (S2) ïîäõîäèò ê äèíàìè÷åñêîìó öåíòðó Ãàëàêòèêè íà 120 à. å., à åå ñêîðîñòü òàì äîñòèãàåò 5000 êì/ñ (ðèñ. 9.29). Îòñþäà ñðàçó ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî ìàññà â ïðåäåëàõ ïåðèöåíòðà îðáèòû ðàâíà 4 · 106 MA. Íàëè÷èå òàì ïëîòíîãî ñêîïëåíèÿ îáû÷íûõ çâåçä ïîëíîñòüþ èñêëþ÷åíî õîòÿ áû ïî ïðè÷èíå íèçêîé ñâåòèìîñòè ýòîé îáëàñòè, íå ãîâîðÿ óæå î òîì, ÷òî çâåçäû ìãíîâåííî íà÷àëè áû ñòàëêèâàòüñÿ äðóã ñ äðóãîì (ïðåäñòàâüòå ñåáå ìèëëèîíû çâåçä, çàïîëíèâøèå Ñîëíå÷íóþ ñèñòåìó â ïðåäåëàõ ïîÿñà Êîéïåðà). Íàáëþäåíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî ïîëíàÿ ìàññà îáû÷íûõ çâåçä äàæå â ïðåäåëàõ 1 ïê âîêðóã öåíòðà Ãàëàêòèêè ñîñòàâëÿåò «âñåãî» îêîëî (1 ± 0,5) · 106 MA. Ìîæíî áûëî áû äóìàòü, ÷òî â ñàìîì öåíòðå íàõîäèòñÿ òåìíîå ñêîïëåíèå èç ìèëëèîíîâ íåéòðîííûõ çâåçä, íî ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî òàêîå êîìïàêòíîå ñêîïëåíèå íåìèíóåìî ñêîëëàïñèðóåò è ñòàíåò ÷åðíîé äûðîé. Ïîýòîìó ñåé÷àñ ïðàêòè÷åñêè íèêòî íå ñîìíåâàåòñÿ, ÷òî òàì äåéñòâèòåëüíî íàõîäèòñÿ ãèãàíòñêàÿ ÷åðíàÿ äûðà.
9.4. Îöåíêà ìàññ êîìïàêòíûõ îáúåêòîâ â ÿäðàõ ãàëàêòèê
399
Äèíàìè÷åñêèé ìåòîä ìîæíî èñïîëüçîâàòü è äëÿ äðóãèõ íå ñëèøêîì äàëåêèõ ãàëàêòèê. Óæå ïîëó÷åíû èíòåðåñíûå ðåçóëüòàòû ïðè íàáëþäåíèÿõ â î÷åíü òîíêèõ è ìîùíûõ (ìàçåðíûõ) ëèíèÿõ èçëó÷åíèÿ ìîëåêóëû âîäû (l0 = 1,35 ñì) öåíòðàëüíûõ îáëàñòåé áëèçêèõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê. Íàïðèìåð, â ÿäðå (R » 1 ïê) ãàëàêòèêè NGC 4258, óäàëåííîé îò íàñ íà 6,4 Ìïê, íàõîäèòñÿ íåñêîëüêî ãàçîâûõ êîìïëåêñîâ, âðàùàþùèõñÿ â êåïëåðîâñêîì äèñêå ñî ñêîðîñòÿìè îò 500 äî 1500 êì/ñ â çàâèñèìîñòè îò ðàññòîÿíèÿ äî öåíòðà. Ëåãêî îöåíèòü, ÷òî ìàññà âíóòðè èõ îðáèò ñîñòàâëÿåò 3,6 · 107 MA. ×àñòè÷íî ýòî ìîãóò áûòü çâåçäû, íî áîëüøàÿ ÷àñòü ìàññû ïðèíàäëåæèò ÿâíî íå èì, à êîìïàêòíîìó òåìíîìó îáúåêòó.  áëèæàéøåé ê íàì êðóïíîé ñïèðàëüíîé ãàëàêòèêå M31 (Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû) ìàññà öåíòðàëüíîé ÷åðíîé äûðû îöåíèâàåòñÿ â (1,1 ¸ 2,3) · 108 MA; ó åå ýëëèïòè÷åñêîãî ñïóòíèêà òîæå åñòü ÷åðíàÿ äûðà ìàññîé îêîëî 3 · 106 MA, à â öåíòðå ðàäèîãàëàêòèêè Äåâà À (Vir A, M87) íàõîäèòñÿ íàñòîÿùèé ìîíñòð ìàññîé (6,4 ± 0,5) · 109 MA. Ëþáîïûòíî, ÷òî â ÿäðàõ íåêîòîðûõ ãàëàêòèê, íàïðèìåð 0402+379, äâîéíûå ÷åðíûå äûðû.  ñîñòàâ îäíîé èç òàêèõ ïàð, â ãàëàêòèêå OJ 287 (îáúåêò òèïà BL Lac), âõîäèò ñàìàÿ ìàññèâíàÿ èç îáíàðóæåííûõ ïîêà ÷åðíûõ äûð: åå ìàññà îöåíèâàåòñÿ â 2 · 1010 MA. Âîêðóã íåå ñ ïåðèîäîì îêîëî 12 ëåò îáðàùàåòñÿ ìåíüøàÿ ÷åðíàÿ äûðà ñ ìàññîé ïîðÿäêà 108 MA. Âåðîÿòíî, äâîéíûå ñâåðõìàññèâíûå ÷åðíûå äûðû îáðàçóþòñÿ ïðè ñëèÿíèè êðóïíûõ ãàëàêòèê, óæå èìåþùèõ ïî îäíîé â ñâîåì ÿäðå. Ñïåêòðàëüíûé ìåòîä îñíîâàí íà èññëåäîâàíèÿõ ñïåêòðîâ öåíòðàëüíûõ îáëàñòåé (áàëäæåé) îòíîñèòåëüíî áëèçêèõ ãàëàêòèê, ÷òî ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü äàííûå î äèñïåðñèè ñêîðîñòåé çâåçä (ïî ñóììàðíîé øèðèíå ëèíèé ïîãëîùåíèÿ â èõ îáîëî÷êàõ) èëè î ñêîðîñòÿõ ãàçà (ïî øèðèíàì ëèíèé èçëó÷åíèÿ) è òàêæå î ïîòîêå â èîíèçèðóþùåì êîíòèíóóìå. Ïî ýòèì ðåçóëüòàòàì áûëè ïîëó÷åíû ïðèáëèçèòåëüíûå ñîîòíîøåíèÿ: 4 æ ö s 8 ÷÷ , M BH » 10 M A çç è 200 êì/ñ ø ãäå s — îäíîìåðíàÿ äèñïåðñèÿ ñêîðîñòåé çâåçä â áàëäæå ãàëàêòèêè, à òàêæå 0 ,6 æ DV1/ 2 ( Hb ) ö æ L 510 ö 8 ç ÷ ç ÷ , M BH » 10 M A × ç 3000 êì/c ÷ ç 10 44 ýðã/c ÷ ø è øè ãäå ÄV1/2 (Hâ) — ïîëóøèðèíà ëèíèè Hâ, L510 — ñâåòèìîñòü â êîíòèíóóìå íà ë0 = 510 íì.
400
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Èç ýòèõ ñîîòíîøåíèé ñëåäóåò, ÷òî ó âñåõ êðóïíûõ ãàëàêòèê â öåíòðå íàõîäÿòñÿ ìàññèâíûå îáúåêòû ìàññàìè îò 106 äî 1010 MA, êîòîðûå, ïî÷òè áåç ñîìíåíèÿ, ÿâëÿþòñÿ ÷åðíûìè äûðàìè. Ïðè ýòîì èõ ìàññû ñîñòàâëÿþò îêîëî 0,1% îò ìàññû ãàëàêòè÷åñêîãî áàëäæà. Åñòü íåêîòîðûå óêàçàíèÿ íà òî, ÷òî ýòà äîëÿ âîçðàñòàåò íà áîëüøèõ z. Ìåòîä øêàëèðîâàíèÿ (ýõîêàðòèðîâàíèÿ) — íàèáîëåå òî÷íûé ñðåäè óïîìÿíóòûõ. Åãî èäåÿ ñîñòîèò â òîì, ÷òî øèðîêèå ýìèññèîííûå ëèíèè â ñïåêòðå àêòèâíîãî ÿäðà îáðàçóþòñÿ â êîìïëåêñå îáëàêîâ, à èñòî÷íèê èîíèçóþùåãî èõ æåñòêîãî èçëó÷åíèÿ íàõîäèòñÿ â öåíòðå ýòîãî êîìïëåêñà. Ðàññòîÿíèå îò èñòî÷íèêà èîíèçàöèè äî îáëàñòè ôîðìèðîâàíèÿ øèðîêèõ ëèíèé (RBL) ìîæíî îöåíèòü ïî çàäåðæêå âî âðåìåíè ìåæäó èçìåíåíèåì æåñòêîãî êîíòèíóóìà è è îòêëèêîì â èíòåíñèâíîñòè øèðîêèõ ëèíèé èçëó÷åíèÿ â ñïåêòðàõ àêòèâíîãî ÿäðà. Îáû÷íî ýòà çàäåðæêà ñîñòàâëÿåò äåñÿòêè äíåé. Çíàÿ ýòî ðàññòîÿíèå è äîïëåðîâñêóþ øèðèíó ëèíèè, ñâÿçàííóþ ñ äâèæåíèåì îáëàêîâ, ìîæíî îöåíèòü ìàññó öåíòðàëüíîãî îáúåêòà: 2
M BH
æ DV1/2 ( Hb ) ö ÷ , » 10 M A R BL ç ç 10 3 êì/ñ ÷ è ø 5
ãäå RBL èçìåðÿåòñÿ â ñâåòîâûõ äíÿõ. Âïåðâûå ýòîò ìåòîä áûë èñïîëüçîâàí Â. Ì. Ëþòûì (1941–2009) è À. Ì. ×åðåïàùóêîì â 1973 ã. äëÿ èçó÷åíèÿ ÿäðà ñåéôåðòîâñêîé ãàëàêòèêè NGC 4151 íà Êðûìñêîé îáñåðâàòîðèè ÃÀÈØ ÌÃÓ. Ñëåäóåò çàìåòèòü, ÷òî îöåíêè MBH äàþò òî÷íîñòü íå ëó÷øå 30%, à òî è 50%. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî øèðèíû ëèíèé èçëó÷åíèÿ èçìåíÿþòñÿ ñî âðåìåíåì, ïîä÷èíÿÿñü èçìåíåíèþ èîíèçèðóþùåãî ïîòîêà. Êðîìå òîãî, â íèõ ìîæåò âíîñèòü âêëàä èçëó÷åíèå îò áûñòðûõ ãàçîâûõ ïîòîêîâ, êîòîðûå ñîïóòñòâóþò ðàäèîâûáðîñàì èç ÿäåð ðàäèîãðîìêèõ ãàëàêòèê. Èíòåðåñíî, êàê ýâîëþöèîíèðóþò ìàññû ÷åðíûõ äûð ñî âðåìåíåì, òî åñòü ñ êðàñíûì ñìåùåíèåì. Êàçàëîñü áû, èõ ìàññû äîëæíû ñî âðåìåíåì âîçðàñòàòü çà ñ÷åò àêêðåöèè âåùåñòâà, êîòîðàÿ îñîáåííî èíòåíñèâíî ïðîèñõîäèò â ðàííèå ýïîõè, êîãäà ÷àñòû âçàèìîäåéñòâèÿ è ñëèÿíèÿ ãàëàêòèê. Îäíàêî îöåíêè èõ ìàññ â ÿäðàõ äàëåêèõ ãàëàêòèê è êâàçàðîâ ïîêàçûâàþò îáðàòíîå: ìàññû ÷åðíûõ äûð âoçðàñòàþò â ïðîøëîå, ñ óâåëè÷åíèåì êðàñíîãî ñìåùåíèÿ: max µ (1 + z)1,6, äîñòèãàÿ ïîòîëêà ~1010 MA ïðè z » 2–3, â òå ýïîõè, M BH êîãäà äîñòèãàëñÿ ìàêñèìóì è òåìïà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ (ðèñ. 9.30). À âîò ïðè ìåíüøèõ êðàñíûõ ñìåùåíèÿõ ìàññû ÷åðíûõ äûð, ïðîÿâ-
9.4. Îöåíêà ìàññ êîìïàêòíûõ îáúåêòîâ â ÿäðàõ ãàëàêòèê
401
Ðèñ. 9.30. Ìàññû öåíòðàëüíûõ ÷åðíûõ äûð â çàâèñèìîñòè îò êðàñíîãî ñìåùåíèÿ õîçÿéñêîé ãàëàêòèêè ïî äàííûì îáçîðà SDSS (Y. Shen è äð., 2007).  îòìå÷åííûõ òðåõ äèàïàçîíàõ z äëÿ èçìåðåíèÿ äèñïåðñèè ñêîðîñòåé èñïîëüçîâàëèñü ðàçíûå ýìèññèîííûå ëèíèè (Hb, Mg II è C IV). Êðóæêàìè ïîêàçàíû ñðåäíèå çíà÷åíèÿ ìàññ ÷åðíûõ äûð (MBH) â èíòåðâàëàõ Dz = 0,1 äëÿ z < 1,9 è Dz = 0,2 äëÿ z > 1,9. Âèäíî, ÷òî ïðè z > 2 èõ ìàêñèìàëüíàÿ ìàññà ñîñòàâëÿåò îò 3 · 109 äî 1010 MA è íå ìåíÿåòñÿ (ãîðèçîíòàëüíûå øòðèõ-ïóíêòèðíûå ëèíèè). À ïðè z < 2 è âïëîòü äî íûíåøíåé ýïîõè íàèáîëåå ìàññèâíûå ÷åðíûå äûðû óæå ïåðåñòàþò ïðîÿâëÿòü ñåáÿ êàê îïòè÷åñêèå êâàçàðû.
ëÿþùèõ ñåáÿ â îïòè÷åñêèõ êâàçàðàõ, â ñðåäíåì ñòàíîâÿòñÿ ìåíüøå. Âîçìîæíî, ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî çàãîðåâøèåñÿ ïðè z » 2–3 â ÿäðàõ ãàëàêòèê êâàçàðû ñâîèì ìîùíûì èçëó÷åíèåì è âåòðîì ïðåïÿòñòâóþò ïîñòàâêå íîâûõ ïîðöèé ãàçà â öåíòðàëüíóþ îáëàñòü ãàëàêòèêè. Àêòèâíîñòü ÿäåð çàòóõàåò, è â íàáëþäåíèÿõ íà÷èíàþò äîìèíèðîâàòü îáúåêòû, êîòîðûå ñôîðìèðîâàëèñü ïîçæå, â îáëàñòÿõ ñ ìåíüøåé ñðåäíåé ïëîòíîñòüþ. Èìåííî ïî ýòîé ïðè÷èíå â áëèçêèõ ñêîïëåíèÿõ ãàëàêòèê íàáëþäàþòñÿ íå êâàçàðû (êîòîðûå äàâíî «ïðîãîðåëè»), à ìåíåå ìîùíûå àêòèâíûå îáúåêòû — ðàäèîãàëàêòèêè, âîçìîæíûå ïîòîìêè êâàçàðîâ.  çàêëþ÷åíèå îáñóäèì âîïðîñ î ïîèñêå äàëåêèõ ãàëàêòèê è êâàçàðîâ. Íàáëþäàòåëè çàíèìàþòñÿ ýòèì íå òîëüêî èç «ñïîðòèâíîãî èíòåðåñà», íî è äëÿ ðåøåíèÿ âàæíîé ïðîáëåìû ñîâðåìåííîé àñòðîôèçèêè — êàê ôîðìèðîâàëèñü ïåðâûå îáúåêòû â Ìåòàãàëàêòèêå? Ïðè ðàáîòå ñ
402
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Ðèñ. 9.31. Îêíà ïðîçðà÷íîñòè, îáóñëîâëåííûå èçëó÷åíèåì íî÷íîãî íåáà â ëèíèÿõ ìîëåêóëû OH, îáëåã÷àþò ïîèñê îáúåêòîâ, èçëó÷àþùèõ â ëèíèè Lya íà óêàçàííûõ êðàñíûõ ñìåùåíèÿõ.
íàçåìíûìè èíñòðóìåíòàìè íàáëþäàòåëè âûíóæäåíû âåñòè ïîèñê â «îêíàõ ïðîçðà÷íîñòè» àòìîñôåðû, ò. å. â òåõ äèàïàçîíàõ ñïåêòðà, ãäå îòñóòñòâóþò ñèëüíûå ïîëîñû èçëó÷åíèÿ ìîëåêóëû ãèäðîêñèëà, â îñíîâíîì ñîçäàþùèå ñâåòëûé ôîí íî÷íîãî íåáà (ðèñ. 9.31). Íàáëþäåíèÿ ïðîâîäÿòñÿ â óçêèõ ôèëüòðàõ â äèàïàçîíå l > 800 íì, êóäà ñìåùàåòñÿ ñèëüíàÿ ëèíèÿ èçëó÷åíèÿ âîäîðîäà Lya (121,6 íì) ïðè z > 5,6, ïî êîòîðîé, êàê ïðàâèëî, è ïðîâîäèòñÿ îòîæäåñòâëåíèå ìîëîäûõ ãàëàêòèê ñ âûñîêèì òåìïîì çâåçäîîáðàçîâàíèÿ.  íèõ ãîðÿ÷èå ìàññèâíûå çâåçäû èîíèçóþò ìåæçâåçäíûé ãàç, êîòîðûé, ðåêîìáèíèðóÿ, è äàåò ñèëüíóþ ëèíèþ èçëó÷åíèÿ â «ëàéìàí-àëüôà ýìèòòeðàõ». Äàëåêèå ãàëàêòèêè ñ âûñîêèì òåìïîì çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ìîæíî èñêàòü è ïî õàðàêòåðíûì «ñêà÷êàì» â íåïðåðûâíîì ñïåêòðå: ýòî ëàéìàíîâñêèé ñêà÷îê (l0 = 91,2 íì) è áàëüìåðîâñêèé ñêà÷îê (l0 = 400 íì). Íàáîðû óçêèõ ñïåêòðàëüíûõ ôèëüòðîâ, êîòîðûå åñòü ó êîñìè÷åñêèõ òåëåñêîïîâ «Õàááë» è «Ñïèòöåð», ïîçâîëÿþò íàõîäèòü ïî ýòèì îñîáåííîñòÿì ãàëàêòèêè ñ z ~ 6–10. Äëÿ óâåëè÷åíèÿ ïðîíèöàþùåé ñïîñîáíîñòè òåëåñêîïîâ àñòðîíîìû ïðè îòîæäåñòâëåíèè î÷åíü äàëåêèõ îáúåêòîâ âåäóò èõ ïîèñê íà ôîíå áîãàòûõ ñêîïëåíèé ãàëàêòèê, êîòîðûå ñëóæàò ïðè ýòîì ãðàâèòàöèîííûìè ëèíçàìè. Òàêîé ïðèåì ïîçâîëÿåò íàáëþäàòü áîëåå ñëàáûå èñòî÷íèêè âïëîòü äî çâåçäíûõ âåëè÷èí 28m ¸ 29m, ÷òî íà 1,5–2 çâåçäíûå âåëè÷èíû áîëüøå, ÷åì áåç èñïîëüçîâàíèÿ «áåñïëàòíîãî êîñìè÷åñêîãî òåëåñêîïà». Ê ïðèìåðó, çà ñêîïëåíèåì ãàëàêòèê À1689 áûëà îáíàðóæåíà ïî ëàéìàíîâñêîìó ñêà÷êó â ôèëüòðå «z» ãàëàêòèêà ñ êðàñíûì ñìåùåíèåì 7,6. À êîñìè÷åñêèé òåëåñêîï «Ñïèòöåð» îáíàðóæèë â ñïåêòðå èñòî÷íèêà HCM6A, ðàñïîëîæåííîãî çà ñêîïëåíèåì ãàëàêòèê À370, ëèíèè èçëó÷åíèÿ Lyá è Há, ñìåùåííûå â ìèêðîííóþ îáëàñòü, ÷òî óêàçàëî íà zem = 6,56. Ïðè ýòîì íåîæèäàííûì îêàçàëñÿ òîò ôàêò, ÷òî òåìï çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ýòîé ãàëàêòèêå, âû÷èñëåííûé ïî èçëó÷åíèþ â Íá, îêàçàëñÿ âûøå, ÷åì ïî èçëó÷åíèþ â ëèíèè Lyá. Ýòî ìîæåò îçíà÷àòü ñèëüíîå ïîãëîùåíèå ïûëüþ, ñóùåñòâîâàíèå êîòîðîé â
9.4. Îöåíêà ìàññ êîìïàêòíûõ îáúåêòîâ â ÿäðàõ ãàëàêòèê
403
Ðèñ. 9.32. Ñàìûå äàëåêèå ãàëàêòèêè (z > 5) îáíàðóæèâàþòñÿ â ïîëå ìàññèâíûõ ãðàâèòàöèîííûõ ëèíç. Ñêîïëåíèå ãàëàêòèê Abell 2218 ñûãðàëî ðîëü ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû äëÿ íåñêîëüêèõ ëåæàùèõ çà íèì ãàëàêòèê, â òîì ÷èñëå ãàëàêòèêè, èìåþùåé êðàñíîå ñìåùåíèå 5,58. Åå ðàñùåïëåííîå íàäâîå èçîáðàæåíèå ïîêàçàíî ñòðåëêàìè íà âðåçêå. Çàìåòèòü òàêèå äàëåêèå îáúåêòû áåç ïîìîùè ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû áûëî áû íåâîçìîæíî. Ôîòî: «Õàááë», NASA, 2001 ã.
ñòîëü ðàííèå ýïîõè ìàëîâåðîÿòíî, åñëè íå ïðåäïîëàãàòü, ÷òî çâåçäîîáðàçîâàíèå íà÷àëîñü ïðè î÷åíü áîëüøèõ z » 20. Ñ ðàçâèòèåì òåõíèêè è ñîçäàíèåì ÷óâñòâèòåëüíûõ ïðèåìíèêîâ ñóáìèëëèìåòðîâîãî äèàïàçîíà ïîÿâëÿåòñÿ âñå áîëüøå äàííûõ î äàëåêèõ ãàëàêòèêàõ è êâàçàðàõ (z > 6). Ïðè÷åì äàëåêèõ ãàëàêòèê ñåé÷àñ îáíàðóæåíî áîëüøå, ÷åì äàëåêèõ êâàçàðîâ (ðèñ. 9.32). Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî ïîâåðõíîñòíàÿ ïëîòíîñòü ÷èñëà êâàçàðîâ ïðè m (0,9–1,1 ìêì) > 24m ñòàíîâèòñÿ ìåíüøå, ÷åì ïëîòíîñòü ÷èñëà ãàëàêòèê (ïðè m = 24 èõ ïëîòíîñòè ïðèìåðíî ðàâíû è ñîîòâåòñòâóþò ïðîñòðàíñòâåííîé ïëîòíîñòè ïîðÿäêà 10–7/Ìïê3 ïðè z » 6). Ïîÿâëÿþòñÿ ïåðâûå äàííûå î ñâîéñòâàõ «õîçÿéñêèõ» ãàëàêòèê, ñ êîòîðûìè ñâÿçàíû äàëåêèå êâàçàðû. Íàáëþäåíèÿ íà òåëåñêîïå Subaru (D = 8,2 ì), ñïîñîáíîì âèäåòü â äèàïàçîíå (l = 700 ¸ 1000 íì), ïîêàçàëè, ÷òî ñ îäíèì èç ñàìûõ íà ñåãîäíÿ äàëåêèõ êâàçàðîâ CFHQSJ 2329-0301 (M1450 = –26,4m, z = 6,43) ñâÿçàíà ÿðêàÿ ãàëàêòèêà ñ àáñîëþòíîé çâåçä-
404
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Ðèñ. 9.33. Ìàêñèìàëüíîå êðàñíîå ñìåùåíèå (z) ãàëàêòèê, êâàçàðîâ è èñòî÷íèêîâ ãàììà-âñïëåñêîâ (ÈÃÂ), îòêðûòûõ ê óêàçàííîìó ãîäó.
íîé âåëè÷èíîé M1450 = –24m, ñ ñóììàðíîé ìàññîé çâåçä îêîëî 109 MA è ýôôåêòèâíûì ðàäèóñîì îêîëî 11 êïê, â êîòîðîé ïðîèñõîäèò çâåçäîîáðàçîâàíèå ñ òåìïîì áîëåå 2 MA/ãîä. Âñå âûøåïåðå÷èñëåííûå ôàêòû ñâèäåòåëüñòâóþò î òîì, ÷òî óæå ÷åðåç t < 109 ëåò ïîñëå Áîëüøîãî âçðûâà â Ìåòàãàëàêòèêå óñïåëè ñôîðìèðîâàòüñÿ ãèãàíòñêèå ãàëàêòèêè ñ ìàññèâíûìè ÿäðàìè, 20% êîòîðûõ ïðîÿâëÿþò àêòèâíîñòü òèïà êâàçàðîâ.  ýòèõ ãàëàêòèêàõ óæå åñòü çâåçäû, à çíà÷èò, åñòü è òÿæåëûå ýëåìåíòû. Ñëåäîâàòåëüíî, ýïîõà çàðîæäåíèÿ ïåðâûõ çâåçä íà÷àëàñü åùå ðàíüøå, ïðè z > 10. Êàê ãàëàêòèêè è èõ ÿäðà óñïåâàþò ñôîðìèðîâàòüñÿ â òàêîå êîðîòêîå ïî êîñìîëîãè÷åñêèì ìåðêàì âðåìÿ — ñîâåðøåííî íåÿñíî. Òðóäíî ïðåäñòàâèòü, ÷òî çà ñòîëü êîðîòêîå âðåìÿ êðóïíûå ãàëàêòèêè îáðàçîâàëèñü ïóòåì ñêó÷èâàíèÿ èç áîëåå ìåëêèõ ïåðâè÷íûõ áëîêîâ òèïà êàðëèêîâûõ ãàëàêòèê (108 MA) èëè äàæå øàðîâûõ ñêîïëåíèé (106 MA) ñ ìàëîìàññèâíûìè ÷åðíûìè äûðàìè â èõ öåíòðàõ (ñóùåñòâîâàíèå ÷åðíûõ äûð ìàññîé 103–104 MA â íåêîòîðûõ øàðîâûõ ñêîïëåíèÿõ êîñâåííî ïîäòâåðæäàåòñÿ òåì, ÷òî îíè õîðîøî ëîæàòñÿ íà åäèíóþ çàâèñèìîñòü MBH µ s4 ñ ìàññèâíûìè ãàëàêòèêàìè). Èìåííî ïî ýòîé ïðè÷èíå íåêîòîðûå òåîðåòèêè ñòàëè äîïóñêàòü, ÷òî ôîðìèðîâàíèå êðóïíûõ ãàëàêòèê ïðîèñõîäèò íå â ïðîöåññå èåðàðõè÷åñêîãî ñêó÷èâàíèÿ, à èíûì ïóòåì. Îíè ñ÷èòàþò, ÷òî ñóùåñòâîâàëè ïåðâè÷íûå ìàññèâíûå
9.5. Çàãàäêà êâàçàðîâ åùå íå ðåøåíà
405
÷åðíûå äûðû, ïîñëóæèâøèå öåíòðàìè êîíäåíñàöèè äëÿ áóäóùèõ ãàëàêòèê.  òàêîì ñöåíàðèè è ãàëàêòèêè, è èõ ìàññèâíûå ÿäðà óñïåâàþò ñôîðìèðîâàòüñÿ óæå íà ðàííèõ ýòàïàõ ýâîëþöèè Âñåëåííîé. Íà âîïðîñ, êàê ìîãëè ïîÿâèòüñÿ ñàìè ïåðâè÷íûå ÷åðíûå äûðû, îòâåòà ïîêà íåò. Åãî íàäî èñêàòü íà ñòàäèè «èíôëÿöèîííîãî» ðîæäåíèÿ Âñåëåííîé, â êîòîðîé áûëè íåîáû÷íûå íà÷àëüíûå óñëîâèÿ è ñóáñòàíöèÿ ñ íåîáû÷íûì óðàâíåíèåì ñîñòîÿíèÿ («ëîæíûé âàêóóì»), êîòîðûå ïðèâåëè ê åå ðàñøèðåíèþ è ê ñóùåñòâîâàíèþ êàê òåìíîé ìàòåðèè, òàê è òåìíîé ýíåðãèè.
9.5. Çàãàäêà êâàçàðîâ åùå íå ðåøåíà Ïðîøëî óæå áåç ìàëîãî ïîëñòîëåòèÿ ïîñëå îòêðûòèÿ êâàçàðîâ — ñàìûõ äàëåêèõ, ñàìûõ ìîùíûõ, ñàìûõ êîìïàêòíûõ è ñàìûõ «íåïîñòîÿííûõ» îáúåêòîâ Ìåòàãàëàêòèêè. Çà ýòî âðåìÿ ñëîâî «êâàçàð» ñòðåìèòåëüíî, êàê íè îäèí äðóãîé àñòðîíîìè÷åñêèé òåðìèí, âîøëî â íàø áûò: ýòèì èìåíåì íàçûâàþò ìàðêè àâòîìîáèëåé è áûòîâûõ ïðèáîðîâ, èçäàòåëüñòâà è êàôå… Íî â ïðèðîäå ñàìèõ êâàçàðîâ îñòàåòñÿ åùå ìíîãî çàãàäî÷íîãî. Âûÿñíèëîñü, ÷òî êâàçàðû — ýòî àêòèâíûå ÿäðà ìàññèâíûõ ãàëàêòèê. Áîëüøèíñòâî èññëåäîâàòåëåé ñ÷èòàåò, ÷òî îò äðóãèõ ïðåäñòàâèòåëåé ýòîé ïîïóëÿöèè (ðàäèîãàëàêòèê, ñåéôåðòîâñêèõ ãàëàêòèê, à òàêæå ãàëàêòèê ñî âñïûøêàìè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â ÿäðàõ) îíè îòëè÷àþòñÿ âûñîêîé èíòåíñèâíîñòüþ íåòåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ è ýâîëþöèîííîé ìîëîäîñòüþ. Ñî âðåìåíåì (ô > 107 ëåò) àêòèâíîñòü êâàçàðà îñëàáåâàåò, ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ ñíèæàåòñÿ, è êîãäà ñâåòèìîñòü ïàäàåò äî àáñîëþòíîé çâåçäíîé âåëè÷èíû –23m, îí óæå âîñïðèíèìàåòñÿ êàê àêòèâíîå ÿäðî èíîãî òèïà, íå ñïîñîáíîå ñâîèì áëåñêîì «çàòìèòü» õîçÿéñêóþ ãàëàêòèêó. Íå èñêëþ÷åíî, ïðàâäà, ÷òî àêòèâíîñòü êâàçàðîâ ìîæåò íîñèòü ðåêóððåíòíûé õàðàêòåð, êîãäà íà ôîíå ãëîáàëüíîãî ñïàäà ñâåòèìîñòè ïðîèñõîäÿò ïîâòîðíûå âñïûøêè, îáóñëîâëåííûå, íàïðèìåð, âçàèìîäåéñòâèåì èëè äàæå ñëèÿíèåì ñ ñîñåäíèìè ãàëàêòèêàìè. Íàáëþäåíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî ïåðâûå êâàçàðû íà÷èíàþò ïðîÿâëÿòü ñåáÿ â ýïîõó ðîæäåíèÿ ïåðâûõ ãàëàêòèê, ïðè z = 7–10, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò êîñìîëîãè÷åñêîìó âðåìåíè âñåãî 500 ìëí ëåò îò Áîëüøîãî âçðûâà. Ìàêñèìàëüíàÿ ÷àñòîòà èõ ðîæäåíèÿ äîñòèãàåòñÿ ïðè z = 2–3 è áûñòðî óáûâàåò ïî ìåðå ïðèáëèæåíèÿ ê íàøåé ýïîõå: èõ ñîïóòñòâóþùàÿ ïðîñòðàíñòâåííàÿ ïëîòíîñòü ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 1 êâàçàð íà 109 Ìïê3 ïðè z < 0,5, à ïðè z > 2 îíà â 1000 ðàç âûøå. Äàëåêèå êâàçàðû ñâÿçàíû ñ ìàññèâíûìè ãàëàêòèêàìè â áîãàòûõ ñêîïëåíèÿõ, à áëèçêèå — ñ ÿð÷àéøèìè ãàëàêòèêàìè â áåäíûõ ñêîïëå-
406
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Ðèñ. 9.34. Òàê â âîîáðàæåíèè õóäîæíèêà (Wolfram Freudling, NASA) âûãëÿäèò îäèí èç ïåðâûõ êâàçàðîâ, îêðóæåííûé ãàçîì, ïûëüþ, ìîëîäûìè çâåçäàìè è çâåçäíûìè ñêîïëåíèÿìè.
íèÿõ èëè äàæå ãðóïïàõ, êîòîðûå ôîðìèðóþòñÿ â áîëåå ïîçäíèå ýïîõè â îáëàñòÿõ ñ ìåíüøåé ñðåäíåé ïëîòíîñòüþ âåùåñòâà. Íåñìîòðÿ íà òàêîå ðàçëè÷èå â îêðóæåíèè, äàëåêèå è áëèçêèå êâàçàðû ïî÷òè íå ðàçëè÷àþòñÿ ïî îñíîâíûì ñâîéñòâàì, äàæå ïî õèìè÷åñêîìó ñîñòàâó: â ñïåêòðàõ äàëåêèõ êâàçàðîâ íàáëþäàþòñÿ ëèíèè ìåòàëëîâ, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò îá óæå ïðîøåäøåì çâåçäîîáðàçîâàíèè â èõ õîçÿéñêèõ ãàëàêòèêàõ. Ôàêò îáíàðóæåíèÿ êâàçàðîâ, áîãàòûõ ìåòàëëàìè, íà î÷åíü áîëüøèõ z ìîæåò ñâèäåòåëüñòâîâàòü î ñóùåñòâîâàíèè ïåðâè÷íûõ ÷åðíûõ äûð, êîòîðûå ìîãóò ñëóæèòü öåíòðàìè êîíäåíñàöèè ãàëàêòèê. Îòìåòèì, ÷òî ýòî ïðåäïîëîæåíèå íå ñîãëàñóåòñÿ ñ ïîïóëÿðíûì íûíå ïðåäñòàâëåíèåì î ôîðìèðîâàíèè ãàëàêòèê ïóòåì èåðàðõè÷åñêîãî ñêó÷èâàíèÿ áîëåå ìåëêèõ «ñòðîèòåëüíûõ áëîêîâ», ñîãëàñíî êîòîðîìó ôîðìèðîâàíèå êðóïíûõ ãàëàêòèê è èõ ÿäåð øëî îäíîâðåìåííî. Íåñìîòðÿ íà íåçàâåðøåííîñòü ìîäåëåé ýíåðãîâûäåëåíèÿ â àêòèâíûõ ÿäðàõ ãàëàêòèê è êâàçàðàõ, ñàìî èõ îáíàðóæåíèå ïîçâîëèëî àñ-
9.5. Çàãàäêà êâàçàðîâ åùå íå ðåøåíà
407
òðîíîìàì ðàñøèðèòü ãîðèçîíòû íàáëþäàåìîé Ìåòàãàëàêòèêè, ÷òî âìåñòå ñ èçó÷åíèåì ôëóêòóàöèé òåìïåðàòóðû ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ ïðåâðàòèëî êîñìîëîãèþ èç ÷èñòî òåîðåòè÷åñêîé íàóêè â íàáëþäàòåëüíóþ. À ýòî, â ñâîþ î÷åðåäü, ïðèâåëî ê ñîçäàíèþ Ñòàíäàðòíîé êîñìîëîãè÷åñêîé ìîäåëè, â êîòîðîé íàðÿäó ñ îáû÷íûì áàðèîííûì âåùåñòâîì, äàþùèì âêëàä âñåãî îêîëî 4% â ñðåäíþþ ïëîòíîñòü ìèðà, ïðåäñêàçûâàåòñÿ ñóùåñòâîâàíèå òåìíîé ìàòåðèè (îêîëî 26%) è òåìíîé ýíåðãèè (îêîëî 70%) — ñóáñòàíöèé, âûõîäÿùèõ çà ðàìêè ñòàíäàðòíîé ôèçèêè. Òàêèì îáðàçîì, â íàøè äíè óñèëèÿìè àñòðîíîìîâ è ôèçèêîâ íàâîäÿòñÿ ìîñòû ìåæäó çàêîíàìè ìàêðî- è ìèêðîìèðà, êîòîðûå, âîçìîæíî, ïðèâåäóò íàñ ê íîâîìó ïðåäñòàâëåíèþ î Âñåëåííîé.  ïîñòðîåíèè ýòîé ïîòðÿñàþùåé, áîãàòîé íîâûìè ýëåìåíòàìè êàðòèíû ìèðà çàìåòíóþ ðîëü ñûãðàëî îòêðûòèå êâàçàðîâ è èçó÷åíèå ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â íèõ, ïðîòåêàþùèõ íà ìîùíîé ðàííåé ôàçå àêòèâíîñòè ÿäåð êðóïíûõ ãàëàêòèê, â êîòîðûõ óæå óñïåëè ñôîðìèðîâàòüñÿ ñâåðõìàññèâíûå ÷åðíûå äûðû ñ àêêðåöèîííûìè äèñêàìè.
Ëèòåðàòóðà Áåðáèäæ Äæ., Áåðáèäæ Ì. Êâàçàðû. Ì.: Ìèð, 1969. Âåðõîäàíîâ Î. Â., Ïàðèéñêèé Þ. Í. Ðàäèîãàëàêòèêè è êîñìîëîãèÿ. Ì.: Ôèçìàòëèò, 2009. Âèëüêîâèñêèé Ý. ß. Çàãàäêè êâàçàðîâ. Àëìà-Àòà: Íàóêà, 1980. Âèëüêîâèñêèé Ý. ß. Êâàçàðû. Ì.: Íàóêà, 1985. Ïðîèñõîæäåíèå è ýâîëþöèÿ çâåçä è ãàëàêòèê / ïîä ðåä. Ñ. Á. Ïèêåëüíåðà. Ì.: Íàóêà, 1976. Íîâèêîâ È. Ä. ×åðíûå äûðû è Âñåëåííàÿ. Ì.: Íàóêà, 1985. Øàðîâ À. Ñ., Íîâèêîâ È. Ä. ×åëîâåê, îòêðûâøèé âçðûâ Âñåëåííîé (Ýäâèí Õàááë). Ì.: Íàóêà, 1989. Êîìáåðã Á. Â. Êâàçàðû — 30 ëåò ñïóñòÿ // Çåìëÿ è Âñåëåííàÿ. 1994. ¹ 4–5. ×åðåïàùóê À. Ì., ×åðíèí À. Ä. Âñåëåíàÿ, æèçíü, ÷åðíûå äûðû. Ôðÿçèíî: Âåê 2, 2003. Alfvén H.; Herlofson N. Cosmic Radiation and Radio Stars // Physical Review. 1950. Vol. 78. P. 616. Di Matteo T., Croft R. A. C., Springel V., Hernquist L. Black Hole Growth and Activity in a L Cold Dark Matter Universe // Astrophys. Journ. 2003. Vol. 593. P. 56–68. Mainieri V., Rigopoulou D., Lehmann I., Scott S., Matute I., Almaini O., Tozzi P., Hasinger G., Dunlop J. S. Sub-mm detection of a high redshift Type 2 QSO // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2005. Vol. 356. P. 1571–1575 (astro-ph/0410.632).
408
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû
Schaerer D., Pello R., Egami E., Hempel A., Richard J., LeBorgne J.-F., Kneib J.-P., Wise M., Boone F., Combes F. News from z ~ 6–10 galaxy candidates found behind gravitational lensing clusters // At the Edge of the Universe: latest results from the deepest astronomical surveys // ASP Conference Series. 2007. Vol. 380. P. 67. Eds. J. Afonso, H. Ferguson and R. Norris. Van Breugel W., De Breuck C., Stanford S. A., Stern D., Röttgering H., Miley G. A Radio Galaxy at Z = 5.19 // Astrophys. J. 1999. Vol. 518. P. L61–L64. Windhorst R. A., Hathi N. P., Cohen S. H., Jansen R. A., Kawata D., Driver S. P., Gibson B. High resolution science with high redshift galaxies // Advances in Space Research. 2008. Vol. 41. P. 1965–1971 (astro-ph/0703171).
ÏÐÈËÎÆÅÍÈß Â. Ã. Ñóðäèí
1. Êàòàëîã Ìåññüå Øàðëü Ìåññüå (Charles Messier, 1730–1817) — ôðàíöóçñêèé àñòðîíîì. Ïîëó÷èë íà÷àëüíîå îáðàçîâàíèå. Ñ 1751 ã. ðàáîòàë ÷åðòåæíèêîì è ïåðåïèñ÷èêîì ó èçâåñòíîãî àñòðîíîìà è êàðòîãðàôà Æ. Í. Äåëèëÿ. Ïóòåì ñàìîîáðàçîâàíèÿ ïðèîáðåë ìàòåìàòè÷åñêèå è àñòðîíîìè÷åñêèå çíàíèÿ, èçó÷èë àñòðîíîìè÷åñêèå èíñòðóìåíòû, ñòàë îïûòíûì íàáëþäàòåëåì. Ñ 1755 ã. îí ðàáîòàë â Ïàðèæñêîé îáñåðâàòîðèè. Ñ 1764 ã. — ÷ëåí Ëîíäîíñêîãî êîðîëåâñêîãî îáùåñòâà (1764), Ïàðèæñêîé àêàäåìèè íàóê (1770), èíîñòðàííûé ïî÷åòíûé ÷ëåí Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêîé àêàäåìèè íàóê (1776) è Áåðëèíñêîé àêàäåìèè íàóê. Ìåññüå ñèñòåìàòè÷åñêè âåë ïîèñêè íîâûõ êîìåò.  1763–1802 ãã. îòêðûë 14 êîìåò, à âñåãî íàáëþäàë 41 êîìåòó. ×òîáû íå ïóòàòü êîìåòû ñ äàëåêèìè òóìàííûìè îáúåêòàìè íåáà, Ìåññüå ñîñòàâèë îäèí èç ïåðâûõ â èñòîðèè àñòðîíîìèè êàòàëîã òóìàííîñòåé è çâåçäíûõ ñêîïëåíèé, äî ñèõ ïîð ÷ðåçâû÷àéíî ïîïóëÿðíûé ñðåäè ëþáèòåëåé àñòðîíîìèè. Ïåðâîå èçäàíèå êàòàëîãà âûøëî â ñâåò â 1774 ã. è ñîäåðæàëî 45 îáúåêòîâ. Ñðåäè íèõ ïîä ïåðâûì íîìåðîì (Ì1) óêàçàíà Êðàáîâèäíàÿ òóìàííîñòü, îáíàðóæåííàÿ Ìåññüå 12 ñåíòÿáðÿ 1758 ã.  àñòðîíîìèþ ïðî÷íî âîøëè îáîçíà÷åíèÿ ìíîãèõ òóìàííîñòåé, ñêîïëåíèé è ãàëàêòèê ïî êàòàëîãó Ìåññüå, íàïðèìåð, Ì31 — òóìàííîñòü Àíäðîìåäû, Ì42 — òóìàííîñòü Îðèîíà. Âòîðîå èçäàíèå êàòàëîãà (1781 ã.) ñîäåðæàëî 103 îáúåêòà. Ñîâðåìåííàÿ âåðñèÿ ýòîãî êàòàëîãà ñîäåðæèò îêîëî 110 îáúåêòîâ, èç êîòîðûõ áîëåå 60 îòêðûòî ñàìèì Ìåññüå è îêîëî 30 — ôðàíöóçñêèì àñòðîíîìîì Ïüåðîì Ìåøåíîì (1744–1804). a — ïðÿìîå âîñõîæäåíèå â ÷àñàõ è ìèíóòàõ; ýïîõà J2000.0 d — ñêëîíåíèå â ãðàäóñàõ è ìèíóòàõ äóãè; ýïîõà J2000.0 m V — âèäèìàÿ âèçóàëüíàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà D — âèäèìûé (óãëîâîé) äèàìåòð èëè ðàçìåð â ìèíóòàõ äóãè
Òèï îáúåêòà Ðàñ. ñê. Øàð. ñê. Ïëàí. òóì. Äèô. òóì. Ãàë. S Ãàë. E
ðàññåÿííîå ñêîïëåíèå øàðîâîå ñêîïëåíèå ïëàíåòàðíàÿ òóìàííîñòü äèôôóçíàÿ òóìàííîñòü ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà ýëëèïòè÷åñêàÿ ãàëàêòèêà
Îáúåêò NGC Ñîçâ.
Òèï Îñò. ÑÍ
Ãàë. Irr Ãàë. S0 Îñò. ÑÍ Àñòåð. Îáë. ÌÏ Äâ. çâ.
a h
d m
°
¢
mV
íåïðàâèëüíàÿ ãàëàêòèêà ëèíçîâèäíàÿ ãàëàêòèêà (òèï S0) îñòàòîê ñâåðõíîâîé àñòåðèçì (4 çâåçäû) «îáëà÷êî» Ìëå÷íîãî Ïóòè äâîéíàÿ çâåçäà D
Ðàññò., òûñ. ñâåò. ëåò
M1
1952
Tau
05 34,5 +22 01 8,4
6¢´4¢
6,3
M2 M3 M4
7089 5272 6121
Aqr Øàð. ñê. 21 33,5 –00 49 6,5 CVn Øàð. ñê. 13 42,2 +28 23 6,2 Sco Øàð. ñê. 16 23,6 –26 32 5,6
12,9 16,2 26,3
36,2 30,6 6,8
Ïðèìå÷àíèå Êðàáîâèäíàÿ òóìàííîñòü
410
Ïðèëîæåíèå
Êàòàëîã Ìåññüå (ïðîäîëæåíèå)
Îáúåêò NGC Ñîçâ.
Òèï
M5 M6 M7 M8 M9 M 10 M 11 M12 M13 M14 M15 M 16 M 17 M 18 M 19 M 20 M 21 M 22 M 23 M 24 M 25 M 26 M 27 M 28 M 29 M 30 M 31
5904 6405 6475 6523 6333 6254 6705 6218 6205 6402 7078 6611 6618 6613 6273 6514 6531 6656 6494 6603 I4725 6694 6853 6626 6913 7099 224
Ser Sco Sco Sgr Oph Oph Sct Oph Her Oph Peg Ser Sgr Sgr Oph Sgr Sgr Sgr Sgr Sgr Sgr Sct Vul Sgr Cyg Cap And
Øàð. ñê. Ðàñ. ñê. Ðàñ. ñê. Äèô. òóì. Øàð. ñê. Øàð. ñê. Ðàñ. ñê. Øàð. ñê. Øàð. ñê. Øàð. ñê. Øàð. ñê. Ðàñ. ñê. Øàð. ñê. Ðàñ. ñê. Øàð. ñê. Äèô. òóì. Ðàñ. ñê. Øàð. ñê. Ðàñ. ñê. Îáë. ÌÏ Ðàñ. ñê. Ðàñ. ñê. Ïëàí. òóì. Øàð. ñê. Ðàñ. ñê. Øàð. ñê. Ãàë. S
M 32 M 33
221 598
And Tri
Ãàë. E Ãàë. S
M 34 M 35 M 36 M 37 M 38 M 39
1039 Per 2168 Gem 1960 Aur 2099 Aur 1912 Aur 7092 Cyg
Ðàñ. ñê. Ðàñ. ñê. Ðàñ. ñê. Ðàñ. ñê. Ðàñ. ñê. Ðàñ. ñê.
a
d
h
m
15 17 17 18 17 16 18 16 16 17 21 18 18 18 17 18 18 18 17 18 18 18 19 18 20 21 00
18,6 40,1 53,9 03,8 19,2 57,1 51,1 47,2 41,7 37,6 30,0 18,8 20,8 19,9 02,6 02,6 04,6 36,4 56,8 16,9 31,6 45,2 59,6 24,5 23,9 40,4 42,7
°
¢
D
Ðàññò., òûñ. ñâåò. ëåò
5,6 17,4 5,3 25,0 4,1 80,0 6,0 90´40 7,7 9,3 6,6 15,1 6,3 14,0 6,7 14,5 5,8 16,6 7,6 11,7 6,2 12,3 6,4 7,0 7,0 11,0 7,5 9,0 6,8 13,5 9,0 28,0 6,5 13,0 5,1 24,0 6,9 27,0 4,6 90 6,5 40,0 8,0 15,0 7,4 8,0´5,7 6,8 11,2 7,1 7,0 7,2 11,0 3,4 178´63
22,8 2 0,8 5,2 26,4 13,4 6 17,6 22,8 27,4 32,6 7 5 4,9 27,1 5,2 4,25 10,1 2,15 10 2 5 1,25 17,9 4,0 24,8 2 900
00 42,7 +40 52 8,1 8´6 01 33,9 +30 39 5,7 73´45
2 900 3 000
02 06 05 05 05 21
1,4 2,8 4,1 4,4 4,2 0,825
42,0 08,9 36,1 52,4 28,4 32,2
+02 05 –32 13 –34 49 –24 23 –18 31 –04 06 –06 16 –01 57 +36 28 –03 15 +12 10 –13 47 –16 11 –17 08 –26 16 –23 02 –22 30 –23 54 –19 01 –18 29 –19 15 –09 24 +22 43 –24 52 +38 32 –23 11 +41 16
mV
+42 47 +24 20 +34 08 +32 33 +35 50 +48 26
5,5 5,3 6,3 6,2 7,4 5,2
35,0 28,0 12,0 24,0 21,0 32,0
Ïðèìå÷àíèå
«Áàáî÷êà» «Ëàãóíà»
«Äèêèå óòêè»
«Îðåë» «Îìåãà»
«Òðåõäîëüíàÿ»
«Ãàíòåëü»
Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû Ñïóòíèê Ì31 Òóìàííîñòü Òðåóãîëüíèêà
«Çîëîòîé ïåñîê» «Êðåñò»
411
Ïðèëîæåíèå
Îáúåêò NGC Ñîçâ.
Òèï
M 40 Win 4 UMa
Äâ. çâ.
mV
D
Ðàññò., òûñ. ñâåò. ëåò
12 22,4 +58 05 8,4
0,8
0,51
a h
d m
°
¢
M 41 M 42
2287 CMa Ðàñ. ñê. 06 46,0 –20 44 4,6 38,0 1976 Ori Äèô. òóì. 05 35,4 –05 27 4,0 85´60
M 43 M 44
1982 2632
Ori Äèô. òóì. 05 35,6 –05 16 9,0 20´15 Cnc Ðàñ. ñê. 08 40,1 +19 59 3,7 95,0
M 45 — Tau Ðàñ. ñê. M 46 2437 Pup Ðàñ. ñê. M 47 2422 Pup Ðàñ. ñê. M 48 2548 Hya Ðàñ. ñê. M 49 4472 Vir Ãàë. E M 50 2323 Mon Ðàñ. ñê. M 51 5194/5 CVn Ãàë. S M 52 7654 Cas Ðàñ. ñê. M 53 5024 Com Øàð. ñê. M 54 6715 Sgr Øàð. ñê. M 55 6809 Sgr Øàð. ñê. M 56 6779 Lyr Øàð. ñê. M 57 6720 Lyr Ïëàí. òóì. M 58 4579 Vir Ãàë. S M 59 4621 Vir Ãàë. E M 60 4649 Vir Ãàë. E M 61 4303 Vir Ãàë. S M 62 6266 Oph Øàð. ñê. M 63 5055 CVn Ãàë. S M 64 4826 Com Ãàë. S M 65 3623 Leo Ãàë. S M 66 3627 Leo Ãàë. S M 67 2682 Cnc Ðàñ. ñê.
03 07 07 08 12 07 13 23 13 18 19 19 18 12 12 12 12 17 13 12 11 11 08
47,0 41,8 36,6 13,8 29,8 03,2 29,9 24,2 12,9 55,1 40,0 16,6 53,6 37,7 42,0 43,7 21,9 01,2 15,8 56,7 18,9 20,2 50,4
+24 –14 –14 –05 +08 –08 +47 +61 +18 –30 –30 +30 +33 +11 +11 +11 +04 –30 +42 +21 +13 +12 +11
07 49 30 48 00 20 12 35 10 29 58 11 02 49 39 33 28 07 02 41 05 59 49
M 68 M 69 M 70 M 71 M 72 M 73 M 74
12 18 18 19 20 20 01
39,5 31,4 43,2 53,8 53,5 58,9 36,7
–26 –32 –32 +18 –12 –12 +15
45 21 18 47 32 38 47
4590 6637 6681 6838 6981 6994 628
Hya Sgr Sgr Sge Aqr Aqr Psc
Øàð. ñê. Øàð. ñê. Øàð. ñê. Øàð. ñê. Øàð.ñê. Àñòåð. Ãàë. S
2,3 1,6 1,6 0,577
Ïðèìå÷àíèå
Òóìàííîñòü Îðèîíà «ßñëè», «Óëåé», «Praesepe» Ïëåÿäû «Çâåçäíàÿ ïûëü»
1,6 110,0 0,38 6,0 27,0 5,4 5,2 30,0 1,6 5,5 54,0 1,5 8,4 9´7,5 60 000 6,3 16,0 3 8,4 11´7 37 000 «Âîäîâîðîò» 7,3 13,0 5,0 7,6 12,6 56,4 7,6 9,1 82,8 6,3 19,0 16,6 8,3 7,1 31,6 8,8 1,4´1,0 4,1 «Êîëüöî» 9,7 5,5´4,5 60 000 9,6 5´3,5 60 000 8,8 7´6 60 000 9,7 6´5,5 60 000 6,5 14,1 21,5 8,6 10´6 37 000 «Ïîäñîëíóõ» 8,5 9,3´5,4 19 000 «Ïîäáèòûé ãëàç» 9,3 8´1,5 35 000 8,9 8´2,5 35 000 6,1 30,0 2,7 «Ôðèãèéñêèé êîëïàê» 7,8 12,0 32,3 7,6 7,1 26,7 7,9 7,8 28,0 8,2 7,2 11,7 9,3 5,9 52,8 9,0 2,8 0 Ãðóïïà èç 4 çâåçä 9,4 10,2´9,5 35 000
412
Ïðèëîæåíèå
Êàòàëîã Ìåññüå (îêîí÷àíèå)
Îáúåêò NGC Ñîçâ. M 75 M 76 M 77 M 78 M 79 M 80 M 81 M 82 M 83 M 84 M 85 M 86 M 87 M 88 M 89 M 90 M 91 M 92 M 93 M 94 M 95 M 96 M 97 M 98 M 99 M 100 M 101 M 102? M 102? M 103 M 104 M 105 M 106 M 107 M 108 M 109 M 110
6864 650 1068 2068 1904 6093 3031 3034 5236 4374 4382 4406 4486 4501 4552 4569 4548 6341 2447 4736 3351 3368 3587 4192 4254 4321 5457 5457 5866 581 4594 3379 4258 6171 3556 3992 205
Sgr Per Cet Ori Lep Sco UMa UMa Hya Vir Com Vir Vir Com Vir Vir Com Her Pup CVn Leo Leo UMa Com Com Com UMa UMa Dra Cas Vir Leo CVn Oph UMa UMa And
Òèï Øàð. ñê. Ïëàí. òóì. Ãàë. S Äèô. òóì. Øàð. ñê. Øàð. ñê. Ãàë. S Ãàë. Irr Ãàë. S Ãàë. S0 Ãàë. S0 Ãàë. S0 Ãàë. E Ãàë. S Ãàë. E Ãàë. S Ãàë. S Øàð. ñê. Ðàñ. ñê. Ãàë. S Ãàë. S Ãàë. S Ïëàí. òóì. Ãàë. S Ãàë. S Ãàë. S Ãàë. S Ãàë. S Ãàë. S0 Ðàñ. ñê. Ãàë. S Ãàë. E Ãàë. S Øàð. ñê. Ãàë. S Ãàë. S Ãàë. E
a
d
h
m
°
¢
20 01 02 05 05 16 09 09 13 12 12 12 12 12 12 12 12 17 07 12 10 10 11 12 12 12 14 14 15 01 12 10 12 16 11 11 00
06,1 42,4 42,7 46,7 24,5 17,0 55,6 55,8 37,0 25,1 25,4 26,2 30,8 32,0 35,7 36,8 35,4 17,1 44,6 50,9 44,0 46,8 14,8 13,8 18,8 22,9 03,2 03,2 06,5 33,2 40,0 7,8 19,0 32,5 11,5 57,6 40,4
–21 +51 –00 +00 –24 –22 +69 +69 –29 +12 +18 +12 +12 +14 +12 +13 +14 +43 –23 +41 +11 +11 +55 +14 +14 +15 +54 +54 +55 +60 –11 +12 +47 –13 +55 +53 +41
55 34 01 03 33 59 04 41 52 53 11 57 24 25 33 10 30 08 52 07 42 49 01 54 25 49 21 21 46 42 37 35 18 03 40 23 41
mV
D
8,5 10,1 8,9 8,3 7,7 7,3 6,9 8,4 7,6 9,1 9,1 8,9 8,6 9,6 9,8 9,5 10,2 6,4 6,0 8,2 9,7 9,2 9,9 10,1 9,9 9,3 7,9 7,9 9,9 7,4 8,0 9,3 8,4 7,9 10,0 9,8 8,5
6,0 2,7´1,8 7´6 8´6 8,7 8,9 21´10 9´4 11´10 5,0 7,1´5,2 7,5´5,5 7,0 7´4 4,0 9,5´4,5 5,4´4,4 11,2 22,0 7´3 4,4´3,3 6´4 3,4´3,3 9,5´3,2 5,4´4,8 7´6 22,0 22,0 5,2´2,3 6,0 9´4 2,0 19´8 10,0 8´1 7´4 17´10
Ðàññò., òûñ. ñâåò. ëåò
Ïðèìå÷àíèå
57,7 3,4 «Ìàëàÿ ãàíòåëü» 60 000 1,6 41,1 27,4 12 000 12 000 15 000 60 000 60 000 60 000 60 000 60 000 60 000 60 000 60 000 26,4 3,6 14 500 38 000 38 000 2,6 «Ñîâà» 60 000 60 000 60 000 27 000 27 000 40 000 8 50 000 «Ñîìáðåðî» 38 000 25 000 19,6 45 000 55 000 2 900
413
Ïðèëîæåíèå
2. Êàòàëîã Êîëäâåëëà  ýòîì êàòàëîãå ñîáðàíû ÿðêèå è èíòåðåñíûå îáúåêòû, äîïîëíèòåëüíûå ê êàòàëîãó Ìåññüå è äîñòóïíûå äëÿ íàáëþäåíèÿ äàæå íà÷èíàþùèì ëþáèòåëÿì àñòðîíîìèè. Êàòàëîã Êîëäâåëëà (Caldwell catalogue) áûë ñîñòàâëåí è âïåðâûå îïóáëèêîâàí â æóðíàëå Sky and Telescope â äåêàáðå 1995 ã. áðèòàíñêèì àñòðîíîìîì è î÷åíü èçâåñòíûì ïîïóëÿðèçàòîðîì íàóêè Ïàòðèêîì Ìóðîì (Patrick Moor, ð. 1923). Íàçâàíèå êàòàëîãó îí äàë, èñïîëüçîâàâ ñâîþ âòîðóþ ôàìèëèþ (åãî ïîëíîå èìÿ — Patrick Alfred Caldwell Moor), ÷òîáû îáîçíà÷àòü îáúåêòû ñâîåãî êàòàëîãà êàê Ñ1, Ñ 2, … è íå ïóòàòü èõ ñ îáúåêòàìè êàòàëîãà Ìåññüå (Ì 1, Ì 2, …). Âî âòîðîé êîëîíêå êðîìå íîìåðîâ NGC âñòðå÷àþòñÿ íîìåðà IC (Index Catalogue) è Sh (êàòàëîã Øàðïëåññà).  ñåäüìîé êîëîíêå óêàçàíà èíòåãðàëüíàÿ âèäèìàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà (m V), èçìåðåííàÿ ïóòåì ñóììèðîâàíèÿ ñâåòà ïî âñåé ïëîùàäè îáúåêòà. Ïîýòîìó êîìïàêòíûé îáúåêò ñ áîëüøåé çâåçäíîé âåëè÷èíîé èíîãäà âûãëÿäèò ÿð÷å è îòûñêèâàåòñÿ ëåã÷å, ÷åì ïðîòÿæåííûé äèôôóçíûé îáúåêò ìåíüøåé çâåçäíîé âåëè÷èíû. Âñå îáúåêòû â êàòàëîãå óïîðÿäî÷åíû ïî ñêëîíåíèþ — îò áîëüøèõ ê ìåíüøèì. Ïàòðèê Ìóð ñ÷èòàåò, ÷òî òàê óäîáíåå. Æèòåëÿì Ñåâåðíîãî ïîëóøàðèÿ äîñòóïíû äëÿ íàáëþäåíèÿ âñå îáúåêòû îò íà÷àëà êàòàëîãà äî îïðåäåëåííîãî åãî ìåñòà, îáóñëîâëåííîãî ãåîãðàôè÷åñêîé øèðîòîé òî÷êè íàáëþäåíèÿ è óñëîâèÿìè âèäèìîñòè. a — ïðÿìîå âîñõîæäåíèå â ÷àñàõ è ìèíóòàõ; ýïîõà J2000.0 d — ñêëîíåíèå â ãðàäóñàõ è ìèíóòàõ äóãè; ýïîõà J2000.0 m V — âèäèìàÿ âèçóàëüíàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà D — óãëîâîé äèàìåòð èëè íàèáîëüøèé ðàçìåð â ìèíóòàõ äóãè
Òèï îáúåêòà Ðàñ. ñê. Øàð. ñê. Ïëàí. òóì. Ýìèñ. òóì. Îòðàæ. òóì. Òåìí. òóì. Ñ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ðàññåÿííîå ñêîïëåíèå øàðîâîå ñêîïëåíèå ïëàíåòàðíàÿ òóìàííîñòü ýìèññèîííàÿ òóìàííîñòü îòðàæàòåëüíàÿ òóìàííîñòü òåìíàÿ òóìàííîñòü
a h m 188 Ðàñ. ñê. 00 44 40 Ïëàí. òóì. 00 13 4236 Ãàë. S 12 17 7023 Îòðàæ. òóì. 21 02 IC 342 Ãàë. S 03 47 6543 Ïëàí. òóì. 17 59 2403 Ãàë. S 07 37 559 Ðàñ. ñê. 01 30 Sh2-155 Ýìèñ. òóì. 22 57 663 Ðàñ. ñê. 01 46 NGC
Òèï
d, ° 85,3 72,5 69,5 68,2 68,1 66,6 65,6 63,3 62,6 61,3
Ãàë. S Ãàë. E Ãàë. Irr Ãàë. S0 Îñò. ÑÍ
Ñîçâ. Cep Cep Dra Cep Cam Dra Cam Cas Cep Cas
mV m
8,1 10,7 9,7 7,0 9,1 8,8 8,4 9,5 »9 7,1
ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà ýëëèïòè÷åñêàÿ ãàëàêòèêà íåïðàâèëüíàÿ ãàëàêòèêà ëèíçîâèäíàÿ ãàëàêòèêà îñòàòîê ñâåðõíîâîé
D, ¢
Ïðèìå÷àíèå
14 0,6 19 18 18 0,3/5,8 18 5 50 16
Ñòàðîå ñêîïëåíèå
«Êîøà÷èé ãëàç»
«Ïåùåðà»
414
Ïðèëîæåíèå
Êàòàëîã Êîëäâåëëà (ïðîäîëæåíèå)
d, °
Ñîçâ.
7006 7814 7479 5248 2261
Ýìèñ. òóì. Ãàë. S Ðàñ. ñê. Ðàñ. ñê. Ïëàí. òóì. Ðàñ. ñê. Ãàë. E Ãàë. E Ýìèñ. òóì. Ýìèñ. òóì. Ãàë. Irr Ïëàí. òóì. Ãàë. S Ãàë. S Øàð. ñê. Ãàë. S Ýìèñ. òóì. Ðàñ. ñê. Ãàë. S Ãàë. S Ýìèñ. òóì. Ãàë. S Îñò. ÑÍ Îñò. ÑÍ Ãàë. E Ãàë. S Ðàñ. ñê. Ãàë. S Ïëàí. òóì. Ãàë. S Ðàñ. ñê. Øàð. ñê. Ãàë. S Ãàë. S Ãàë. S Ýìèñ. òóì.
a h m 23 21 20 35 01 19 02 20 19 45 22 15 00 33 00 39 21 54 20 59 12 28 23 26 02 23 03 20 07 38 12 18 20 12 01 58 13 11 22 37 05 16 12 42 20 57 20 46 13 00 12 36 20 12 12 36 07 29 11 20 04 27 21 02 00 03 23 05 13 38 06 39
61,2 60,2 58,3 57,1 50,5 49,9 48,5 48,3 47,3 44,3 44,1 42,6 42,4 41,5 38,9 37,8 38,4 37,7 37,1 34,4 34,3 32,5 31,5 30,7 28,0 28,0 26,5 26,0 20,9 18,4 16,0 16,2 16,2 12,3 8,9 8,7
Cas 8,5 15 Cep 8,9 11 Cas 6,4 13 Per 4,3/4,4 30/30 Cyg 9,8 0,5 Lac 6,4 21 Cas 9,3 13 Cas 9,2 12 Cyg 7,2 12 Cyg 5,0 120 CVn 9,4 5 And 9,2 0,3 And 10,0 14 Per 11,6 3 Lyn 10,4 4 CVn 10,2 16 Cyg »11 20 And 5,7 50 CVn 9,8 5 Peg 9,5 11 Aur »7 30 CVn 9,3 15 Cyg 8,0 60 Cyg 8,0 70 Com 11,4 3 Com 9,9 11 Vul 5,7 7 Com 9,6 16 Gem 9,9 0,7 Leo 10,9 3 Tau 0,5 330 Del 10,6 3 Peg 10,5 6 Peg 11,0 4 Boo 10,2 7 Mon 10,0 2
6934 2775 2237-9
Øàð. ñê. Ãàë. S Ýìèñ. òóì.
20 34 09 10 06 32
7,4 7,0 5,1
Del Cnc Mon
Ñ
NGC
Òèï
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46
7635 6946 457 869/884 6826 7243 147 185 IC 5146 7000 4449 7662 891 1275 2419 4244 6888 752 5005 7331 IC 405 4631 6992/5 6960 4889 4559 6885 4565 2392 3626
47 48 49
mV
8,9 10,3 ~4
D, ¢
6 5 80
Ïðèìå÷àíèå «Ïóçûðü» Ñêîïëåíèå f Cas h è c Per «Ìèãàþùàÿ»
«Êîêîí» «Ñåâåðíàÿ Àìåðèêà» «Ãîëóáîé ñíåæîê» Ñåéôåðò. ãàë. Per A
«Ïîëóìåñÿö»
«Ïûëàþùàÿ çâåçäà» Ãàëàêòèêà «Êèò» «Ðûáà÷üÿ ñåòü», E «Ðûáà÷üÿ ñåòü», W
Ãàëàêòèêà «Èãëà» «Ýñêèìîñ» Ãèàäû
Ïåðåìåííàÿ òóìàííîñòü Õàááëà
«Ðîçåòêà»
415
Ïðèëîæåíèå
Ñ
NGC
Òèï
50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88
2244 IC 1613 4697 3115 2506 7009 246 6822 2360 3242 4038 4039 247 7293 2362 253 5694 1097 6729 6302 300 2477 55 1851 3132 6124 6231 5128 6541 3201 5139 6352 6193 4945 5286 IC 2391 6397 1261 5823
Ðàñ. ñê. Ãàë. Irr Ãàë. E Ãàë. S0 Ðàñ. ñê. Ïëàí. òóì. Ïëàí. òóì. Ãàë. Irr Ðàñ. ñê. Ïëàí. òóì. Ãàë. S Ãàë. S Ãàë. S Ïëàí. òóì. Ðàñ. ñê. Ãàë. S Øàð. ñê. Ãàë. S Îòðàæ. òóì. Ïëàí. òóì. Ãàë. S Ðàñ. ñê. Ãàë. S Øàð. ñê. Ïëàí. òóì. Ðàñ. ñê. Ðàñ. ñê. Ãàëàêòèêà Øàð. ñê. Øàð. ñê. Øàð. ñê. Øàð. ñê. Ðàñ. ñê. Ãàë. S Øàð. ñê. Ðàñ. ñê. Øàð. ñê. Øàð. ñê. Ðàñ. ñê.
89
6067
Ðàñ. ñê.
a h m
d, °
Ñîçâ.
mV
D, ¢
4,9 2,1 –5,8 –7,7 –10,8 –11,4 –11,9 –14,8 –15,6 –18,6 –18,9 –18,9 –20,8 –20,8 –25,0 –25,3 –26,5 –30,3 –37,0 –37,1 –37,7 –38,6 –39,2 –40,1 –40,4 –40,7 –41,8 –43,0 –43,7 –46,4 –47,5 –48,4 –48,8 –49,5 –51,4 –53,1 –53,7 –55,2 –53,6
Mon Get Vir Sex Mon Aqr Cet Sgr CMa Hya Crv Crv Cet Aqr CMa Scl Hya For CrA Sco Scl Pup Scl Col Vel Sco Sco Cen CrA Vel Cen Ara Ara Cen Cen Vel Ara Hor Cir
4,8 9,3 9,3 9,2 7,6 8,3 8,0 9,4 7,2 8,6 10,7 10,7 8,9 7,4 4,1 7,1 10,2 9,3 ~11 12,8 8,7 5,8 7,9 7,3 8,2 5,8 2,6 7,0 6,6 6,8 3,7 8,2 5,2 8,6 7,6 2,5 5,7 8,4 7,9
24 12 6 8 7 0,6 4 10 13 0,6 3 3 20 13 8 25 4 9 1 0,8 20 27 32 11 1 29 15 18 13 18 36 7 15 20 9 50 26 7 10
16 13 –54,2 Nor
5,6
13
06 01 12 10 08 21 00 19 07 10 12 12 00 22 07 00 14 02 19 17 00 07 00 05 10 16 16 13 18 10 13 17 16 13 13 08 17 03 15
32 05 49 05 00 04 47 45 18 25 02 02 47 30 19 48 40 46 02 14 55 52 15 14 08 26 54 26 08 18 27 26 41 05 46 40 41 12 06
Ïðèìå÷àíèå
«Âåðåòåíî» «Ñàòóðí» Ãàëàêòèêà Áàðíàðäà «Ïðèçðàê Þïèòåðà» «Àíòåííû» «Àíòåííû» «Óëèòêà» Ñêîïëåíèå t CMa Ãàëàêòèêà Ñêóëüïòîðà
R CrA «Áóêàøêà»
«Þæíîå êîëüöî»
Ðàäèîãàëàêòèêà Cen A
w Cen
416
Ïðèëîæåíèå
Êàòàëîã Êîëäâåëëà (îêîí÷àíèå)
d, °
Ñîçâ.
mV
D, ¢
Ïðèìå÷àíèå
Ïëàí. òóì. Ðàñ. ñê. Ýìèñ. òóì. Øàð. ñê. Ðàñ. ñê.
a h m 09 21 11 06 10 44 19 11 12 54
–58,3 –58,7 –59,9 –60,0 –60,3
Car Car Car Pav Cru
9,7 3,0 2,5 5,4 4,2
0,3 55 120 20 10
h Êèëÿ
Ðàñ. ñê. Ðàñ. ñê. Ðàñ. ñê. Ðàñ. ñê. Òåìí. òóì. Ðàñ. ñê. Ãàë. S Ðàñ. ñê. Ýìèñ. òóì. Øàð. ñê. Øàð. ñê. Øàð. ñê. Øàð. ñê. Øàð. ñê. Ïëàí. òóì.
16 07 11 12 12 11 19 10 05 01 13 00 16 12 10
–60,5 –60,9 –61,6 –63,0 –63,0 –63,0 –63,9 –64,4 –69,1 –70,9 –70,9 –72,1 –72,2 –72,7 –80,9
TrA Car Cen Cru Cru Cen Pav Car Dor Tuc Mus Tuc Aps Mus Cha
5,1 3,8 5,3 6,9 — 4,5 8,4 1,9 8,2 6,6 7,4 4,0 9,3 7,8 11,6
12 30 12 5 350 15 16 50 40 13 14 31 11 19 0,6
Ñ
NGC
Òèï
90 91 92 93 94
2867 3532 3372 6752 4755
95 6025 96 2516 97 3766 98 4609 99 100 IC 2944 101 6744 102 IC 2602 103 2070 104 362 105 4833 106 104 107 6101 108 4372 109 3195
04 58 36 42 53 37 10 43 39 03 00 24 26 26 10
«Øêàòóëêà ñ äðàãîöåííîñòÿìè»
«Óãîëüíûé ìåøîê»
Þæíûå Ïëåÿäû «Òàðàíòóë»
47 Tuc
3. Çâåçäíûå àññîöèàöèè R — ðàññòîÿíèå îò Ñîëíöà, N — ÷èñëî ÿðêèõ çâåçä, îòíåñåííûõ ê àññîöèàöèè. Íîìåðà ñêîïëåíèé äàíû ïî NGC.  ñêîáêàõ óêàçàí ñïåêòðàëüíûé êëàññ íàèáîëåå ìàññèâíîé çâåçäû ñêîïëåíèÿ èëè àññîöèàöèè. Çíàê «?» îçíà÷àåò ñîìíåíèå â ãåíåòè÷åñêîé ñâÿçè äàííîãî ñêîïëåíèÿ ñ àññîöèàöèåé. Ñîêðàùåíèÿ: òóì. — äèôôóçíàÿ òóìàííîñòü; À. — àññîöèàöèÿ. ÎÂ-àññîöèàöèè Íàçâàíèå
Êîîðäèíàòû öåíòðà Ðàçìåð R, a N d, ° l, ° b, ° êïê óãë., ° ëèí., ïê h m
Cep OB4 Cas OB4 Cas OB7 Cas OB8
0 0 0 1
02 28 53 46
+67,6 +62,7 +64,0 +61,3
118,2 120,3 123,1 129,5
+5,2 –0,1 +1,1 –0,9
Per OB1 Cas OB6 Per OB3
2 15 +57,3 134,0 –3,8 2,29 2 43 +61,4 135,9 +1,4 2,40 3 28 +49,9 147,0 –5,5 0,17
Ñêîïëåíèÿ/çâåçäû
0,69 4´3,5 48´42 44 À. (O7) 2,75 5,5´3 260´140 29 103? 146? King 14? (âñå B3) 1,8 3 95 40 King 16? Berkeley 62? A. (O6) 1,9 3´2 100´70 43 581, 654, 659, 663; A. (O7,5) 8´6 6 —
320´240 65 869, 884 [h c Per](B0); A.(O5,5) 250 25 IC1805 (8 O-çâåçä) — — / a, D Per
417
Ïðèëîæåíèå
Íàçâàíèå Per OB2 Aur OB2 Aur OB1 Gem OB1 Ori OB1 Mon OB1 Mon OB2 CMa OB1 Pup OB1 Vel OB1 Car OB1 Car OB2 Cen OB1 Sco-Cen Ara OB1 Sco OB1 Sco OB2 Sgr OB1 Sgr OB4 Ser OB1 Ser OB2 Vul OB1
Êîîðäèíàòû öåíòðà Ðàçìåð R, a N d, ° l, ° b, ° êïê óãë., ° ëèí., ïê h m 3 42 5 28 5 22 6 10 5 31 6 33 6 37 7 07 7 55 8 50 10 47 11 06 13 05 16 16 40 16 54 16 15 18 08 18 14 18 21 18 19 19 44
+33,4 +34,9 +33,9 +21,6 –2,7 +8,8 +4,8 –10,5 –27,1 –45,0 –59,1 –59,9 –62,1 –25 –46,8 –42,0 –25,9 –21,5 –19,1 –14,6 –12,0 +24,2
Cyg OB3 20 05 +35,8 Cyg OB1 20 18 +37,6 Cyg OB9 20 23 +39,9 Cyg OB2 20 32 +41,3 Cyg OB7 21 03 +49,7 Cep OB2 21 48 +61,1 Cep OB1 Lac OB1 Cep OB3 Cas OB2 Cas OB5
22 22 23 23 23
25 43 02 16 59
+55,2 +44,1 +63,3 +61,1 +60,4
159,2 173,0 173,1 189,1 206,0 203,0 207,0 224,0 244,0 265,0 287,5 290,1 304,5 348,2 338,0 343,3 350,1 9,0 11,8 16,5 18,6 60,3
–17,1 +0,1 –1,6 +1,1 –19,0 0,0 –1,0 –1,3 +0,5 –0,7 0,0 +0,3 +0,8 +20,9 0,0 +1,2 +17,8 –0,6 –0,8 0,0 +1,7 +0,2
0,40 8´5 56´35 3,16 — — 1,32 6´5 140´120 1,51 5 130 0,46 16 130 0,55 14´5 135´48 1,51 6´4 160´110 1,32 4 92 2,51 4´3 180´130 1,40 6´4 150´100 2,51 2´1 90´48 2,0 6´3 190´90 2,51 6 260 0,16 Ñîëíöå âíóòðè? 1,38 4,5´3 110´70 1,91 1,5´1 53´37 0,16 — — 1,58 9,5´4 260´110 2,4 — — 2,19 5´3 190´110 2,0 8 280 2,5 3,5´1,5 150´70
103,0 99,9 111,0 111,7 116,5
–1,9 –12,9 +3,0 +0,3 –1,8
2,75 11´4 530´190 28 0,5 16 140 29 0,72 3,5´1,5 44´19 29 2,19 6´4 230´150 — 2,0 4´3 140´100 15
Ñêîïëåíèÿ/çâåçäû
4 /z, o, c Per 8 1893, IC 410 10 1912, 60; 1931? 17 2175? 15 Òðàïåöèÿ / q, b, g, d, e Ori 1 2264 / S Mon 17 2244 / Çâåçäà Ïëàñêåòòà 7 2335, 53; 2343? 7 2467? 16 2659? 21 3293; IC 2581? 14 3572, Tr 18 21 4755 / c Cru — IC 2602?/a Car, a CMa, a Eri — 6169, 93 / m Nor 28 6231 / z1 Sco 3 / a, b1, d Sco 17 6514, 30-1 / m Sgr 7 6603 18 6611 15 6604? 12 6823 (O7), 6830 (B6)?, 6820 — òóì. 72,6 +2,3 1,74 3,5´1,5 110´45 30 6871 (O6,5); À. (Î4) / Cyg X-1 75,5 +1,1 1,26 4´3,5 88´77 68 6913 (Î9,5), IC 4996 (Â0)? À. (Î5) 78,0 +1,5 1,0 2,5´1,5 45´26 24 6910 80,1 +1,0 1,70 0,7 20 15 À. (Î3) 90,0 +2,1 0,83 11 150 9 7039 (B5)? Cocoon Neb. /a Cyg 102,5 +5,7 0,95 10 170 17 Tr37 (O6,5); 7160(B1); IC 1396 / µ, n, l Cep Äâå àññîöèàöèè? / b Cep À. (Î9,5) À. (Î7) 7510 (O9) 7788 (B1)? / r Cas
418
Ïðèëîæåíèå
Ò-àññîöèàöèè Íàçâàíèå Per T2 Tau T1 Tau T2 Tau T3 Aur T1 Ori T1 Ori T2 Ori T3 Ori T4 Ori T8 Mon T4 Mon T2 Mon T1 Sco T1 Sgr T2 Ser T1 Cyg T1 Cep T2 Cyg T3
Êîîðäèíàòû öåíòðà Ðàññòîÿíèå, ïê l b 161° –18° 380 169 –16 200 179 –20 170 174 –15 170 172 –7 170 193 –12 400 209 –20 400 206 –16 400 197 –10 400 205 –15 400 202 0 800 206 –2 1 660 203 +2 800 354 +18 210 6 –1 1 300 17 +1 2 300 85 0 600 100 +4 480 94 –6 1 000
Äèàìåòð ° ïê 0,4 2,7 3 11 6 18 5 15 9 27 4 30 4 30 4 30 3 21 2 15 1 14 0,5 14 3 42 9 33 1 23 0,2 8 1 10 3 25 0,2 3
N
Ñêîïëåíèÿ / çâåçäû
16 15 12 49 15 49 450 102 28 45 16 16 198 33 85 61 21 125 38
IC 348 / / RY Tau / T Tau / UZ Tau / RW Aur / CO Ori / T Ori 2024 / s, z Ori / FU Ori 2068, 2071 / 2169, 2245 / 2244 / 2264 / S Mon / a Sco, r Oph 6530, M8 / 6611 / IC 5070 / IC 1396 / IC 5146 /
4. ßðêèå ðàññåÿííûå ñêîïëåíèÿ Ãàëàêòèêè NGC — íîìåð ïî êàòàëîãó Äðåéåðà, Ì — ïî êàòàëîãó Ìåññüå (NGC 2632 = M44 = ßñëè, Praesepe); êîîðäèíàòû ýïîõè J2000.0; âèäèìûé äèàìåòð ñêîïëåíèÿ â óãëîâûõ ìèíóòàõ; m V èíòåãðàëüíàÿ — èíòåãðàëüíûé âèçóàëüíûé áëåñê ñêîïëåíèÿ (p — ôîòîãðàôè÷åñêèé); ðàññòîÿíèå â ïàðñåêàõ; m V ÿð÷àéøåé çâåçäû — âèçóàëüíûé áëåñê ÿð÷àéøåé çâåçäû ñêîïëåíèÿ; N — êîëè÷åñòâî èçâåñòíûõ çâåçä ñêîïëåíèÿ; Ñïåêòð — ñïåêòðàëüíûé êëàññ ÿð÷àéøåé çâåçäû; Ò — ïðèáëèçèòåëüíûé âîçðàñò ñêîïëåíèÿ â ìèëëèîíàõ ëåò. Äàííûå ïî Sky Catalogue 2000 ñ íåêîòîðûìè äîáàâëåíèÿìè.
NGC
M
Ñîçâåçäèå
457 — Cas 581 103 Cas 869 — h Per 884 — c Per 1039 34 Per Ïëåÿäû 45 Tau Ãèàäû — Tau
a h m 1 1 2 2 2 3 4
19,1 33,2 19,0 22,4 42,0 47,0 27:
mV Äèà- èíòå° ¢ ìåòð,¢ ãðàëüíàÿ +58 20 13 6,4 +60 42 6 7,4 +57 09 30 4,3p +57 07 30 4,4p +42 47 35 5,2 +24 07 110 1,2 +16: 330 0,5 d
mV Ò, Ðàññò., ÿð÷àéN Ñïåêòð ìëí. ïê øåé ëåò çâåçäû 2 800 8,6 80 B2 25 2 600 10,6 25 B2 22 2 200 6,6 200 B0 5,6 2 300 8,1 150 B0 3,2 440 7,3 60 B8 190 125 2,9 100 B5 78 46 3,4 90 A2 660
419
Ïðèëîæåíèå
NGC
M
Ñîçâåçäèå
1912 1960
38 36
Aur Aur
2099 2168 2287 2281 2447 2632 2682 3114 3532 3766 4349 4755 6231 6242 6405 6416 6475 6494 6520 6531 6603 6611 6645 6705 6939 7092 7654
37 Aur 35 Gem 41 CMa — Aur 93 Pup 44 Cnc 67 Cnc — Car — Car — Cen — Cru — i Cru — Sco — Sco 6 Sco — Sco 7 Sco 23 Sgr — Sgr 21 Sgr 24 Sgr 16 Ser — Sgr 11 Sct — Cep 39 Cyg 52 Cas
a
mV mV Äèà- èíòå- Ðàññò., ÿð÷àéøåé ° ¢ ìåòð,¢ ãðàëü- ïê íàÿ çâåçäû d
h m
5 28,7 +35 50 5 36,1 +34 08 5 6 6 6 7 8 8 10 11 11 12 12 16 16 17 17 17 17 18 18 18 18 18 18 20 21 23
52,4 08,9 46,0 49,3 44,6 40,1 50,4 02,7 06,4 36,1 24,5 53,6 54,0 55,6 40,1 44,4 53,9 56,8 03,4 04,6 18,4 18,8 32,6 51,1 31,4 32,2 24,2
+32 +24 –20 +41 –23 +19 +11 –60 –58 –61 –61 –60 –41 –39 –32 –32 –34 –19 –27 –22 –18 –13 –16 –06 +60 +48 +61
33 20 44 04 52 59 49 07 40 37 54 20 48 30 13 21 49 01 54 30 25 47 54 16 38 26 35
21 12 24 28 38 15 22 95 30 35 55 12 16 10 15 9 15 18 80 27 6 13 5 7 10 14 8 32 13
6,4 6,0
N
Ò, Ñïåêòð ìëí. ëåò
1 320 1 270
9,5 8,9
100 60
B4 B2
220 25
5,6 1 350 5,1 870 4,6 700 5,4 500 6,2: 1 100 3,1 160 6,9 800 4,2 900 3,0 410 5,3 1 700 7,4 1 700 4,2 2 340 2,6 1 800 6,4 1 200 4,2 600 5,7 800 3,3 240 5,5 660 7,6p 1 650 5,9 1 300 11,1p 2 880 6,0 2 500 8,5p 5,8 1 720 7,8 1 250 4,6 270 6,9 1 600
9,2 8,2
150 200 100 30 80 50 200
B9 B3 A0 A0 B9 A0 B8 B9 B5 B0 B8 B2 O8 B5 B5 A0 B8 B9 O B0 B9 O6 B9 B8 B8 A0 B6
300 110
7,3 8,2 6,3 9,7 7,3 7,1 7,2 10,9 5,8 4,7 7,3 6,2 8,4 5,6 9,2 9p 7,3 14p 8,2 12p 8,0 11,9 6,8 8,2
150 100 30
80 40 80 150 60 70 100 40 80 30 100
300 98 660 3200 110 270 22 220 7,1 3,2 51 51 167 220 220 54 4,6 5,5 220 1800 270 35
5. ßðêèå øàðîâûå ñêîïëåíèÿ Ãàëàêòèêè Äèàì. — íàáëþäàåìûé äèàìåòð ñêîïëåíèÿ, Sp — èíòåãðàëüíûé ñïåêòð, R — ðàññòîÿíèå îò Ñîëíöà, Vr — ëó÷åâàÿ ñêîðîñòü îòíîñèòåëüíî ñîëíå÷íîãî ñòàíäàðòà ïîêîÿ (ò. å. èñïðàâëåííàÿ çà äâèæåíèå Ñîëíöà ê àïåêñó), Mv — èíòåãðàëüíàÿ àáñîëþòíàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà, (B – V)0 — èñïðàâëåííûé çà ìåæçâåçäíîå ïîêðàñíåíèå ïîêàçàòåëü öâåòà, l è b — ãàëàêòè÷åñêàÿ äîëãîòà è øèðîòà. Èñòî÷íèêè: Catalog of parameters for Milky Way globular clusters by W. E. Harris, 1994; Sky Catalogue 2000.
420
Ïðèëîæåíèå
ßðêèå øàðîâûå ñêîïëåíèÿ Ãàëàêòèêè (ïðîäîëæåíèå)
NGC Ì/äð. 104 288 362 1851 1904 2808 3201 4372 4590 4833 5024 5139 5272 5286 5904 5986 6093 6121 6171 6205 6218 6254 6266 6273 6293 6341 6333 6352 6362 6388 6402 6397 6441 6544 6541 6553
a h m
47 Tuc 0 0 1 5 M79 5 9 10 12 M68 12 12 M 53 13 w Cen 13 M3 13 13 M5 15 15 M80 16 M4 16 M107 16 M13 16 M12 16 M10 16 M62 17 M19 17 17 M92 17 M9 17 17 17 17 M14 17 17 17 18
24,1 52,8 03,2 14,1 24,5 12,0 17,6 25,8 39,5 59,6 12,9 26,8 42,2 46,4 18,6 46,1 17,0 23,6 32,5 41,7 47,2 57,1 01,2 02,6 10,2 17,1 19,2 25,5 31,9 36,3 37,6 40,7 50,2 07,3
d ÄèàÑîçâ. l, ° b, ° ìåòð ° ¢ –72 05 –26 35 –70 51 –40 03 –24 33 –64 52 –46 25 –72 40 –26 45 –70 53 +18 10 –47 29 +28 23 –51 22 +2 05 –37 47 –22 59 –26 32 –13 03 +36 28 –1 57 –4 06 –30 07 –26 16 –26 35 +43 08 –18 31 –48 25 –67 03 –44 44 –3 15 –53 40 –37 03 –25 00
Tuc Scl Tuc Col Lep Car Vel Mus Hya Mus Com Cen CVn Cen Ser Lup Sco Sco Oph Her Oph Oph Oph Oph Oph Her Oph Ara Ara Sco Oph Ara Sco Sgr
306 152 302 245 227 282 277 301 300 304 333 309 42 312 4 337 353 351 3 59 16 15 354 357 358 68 6 341 326 346 21 338 354 6
–45 –89 –46 –35 –29 –11 9 –10 36 –8 80 15 79 11 47 13 20 16 23 41 26 23 7 9 8 35 11 –7 –18 –7 15 –12 –5 –2
30,9¢ 13,8 12,9 11,0 8,7 13,8 18,2 18,6 12,0 13,5 12,6 36,3 16,2 9,1 17,4 9,8 8,9 26,3 10,0 16,6 14,5 15,1 14,1 13,5 7,9 11,2 9,3 7,1 10,7 8,7 11,7 25,7 7,8 8,9
V B–V Sp 4,03 8,10 6,58 7,30 8,00 6,30 6,75 7,80 8,20 7,35 7,72 3,65 6,35 7,62 5,75 7,12 7,20 5,93 8,13 5,86 6,60 6,57 6,60 7,15 8,2: 6,52 7,9: 8,15 8,30 6,85 7,56 5,65 7,42 8,25
0,89 0,66 0,76 0,78 0,63 0,93 0,98 0,97 0,63 0,96 0,64 0,79 0,69 0,87 0,71 0,90 0,85 1,03 1,14 0,69 0,82 0,92 1,17 1,00 0,98 0,62 0,94 1,06 0,85 1,17 1,28 0,75 1,28 1,36
R, Vr , êïê êì/ñ
G3 4,1 –28 8,1 –54 F8 8,0 +213 F7 11,7 +302 F6 12,2 +188 F8 8,9 +86 F7 4,9 +483 F5 4,6 +52 F2 9,9 –97 F4 5,7 +196 F5 18,1 –72 F6 5,0 +229 F7 9,8 –137 F6 9,0 +51 F6 7,0 +65 F6 10,0 +98 F7 8,4 +18 F8 2,1 +80 G0 6,0 –21 F5 6,8 –228 F7 5,5 –28 F5 4,1 +91 F8 6,6 –59 F6 8,3 +140 F4 8,6 –88 F2 8,0 –102 F4 8,1 +242 G4 5,6 –110 G3 7,2 –15 G3 11,4 +87 F6 8,4 –95 F5 2,2 +21 G3 9,2 +26 F9 2,4 –5
MV (B–V)0 –9,43 –6,60 –8,32 –8,10 –7,65 –9,22 –7,40 –7,10 –6,81 –7,55 –8,62 –10,27 –8,65 –7,99 –8,76 –8,78 –8,08 –6,80 –6,90 –8,49 –7,70 –7,48 –8,78 –9,20 –7,2 –7,98 –7,4 –6,32 –6,35 –9,98 –9,34 –6,65 –9,08 –7,10
0,85 0,63 0,72 0,71 0,62 0,71 0,76 0,52 0,60 0,58 0,59 0,68 0,68 0,60 0,68 0,63 0,64 0,68 0,77 0,67 0,63 0,66 0,71 0,62 0,64 0,61 0,58 0,81 0,73 0,85 0,70 0,57 0,83 0,73
18 08,0 –43 42 CrA 349 –11 13,1 6,64 0,77 F6 7,2 –148 –7,96 0,64 18 09,3 –25 54 Sgr 5 –3 8,1 8,25 1,62 G4 4,1 –16 –8,15 0,83
421
Ïðèëîæåíèå
NGC Ì/äð. 6626 6637 6656 6681 6712 6715 6723 6752 6779 6809 6838 7078 7089
M28 M 69 M 22 M 70 M 54
M 56 M 55 M 71 M 15 M2 7099 M 30
a h m 18 18 18 18 18 18 18 19 19 19 19 21 21 21
24,5 31,4 36,4 43,2 53,1 55,1 59,6 10,9 16,6 40,0 53,8 30,0 33,5 40,4
d ÄèàÑîçâ. l, ° b, ° ìåòð ° ¢ –24 52 –32 21 –23 54 –32 18 –8 42 –30 29 –36 38 –59 59 +30 11 –30 58 +18 47 +12 10 –0 49 –23 11
V B–V Sp
Sgr 8 –6 11,2 6,9: 1,10 Sgr 2 –10 7,1 7,70 0,99 Sgr 10 –8 24,0 5,10 0,99 Sgr 3 –13 7,8 8,08 0,71 Sct 25 –4 7,2 8,21 1,16 Sgr 6 –14 9,1 7,70 0,85 Sgr 0 –17 11,0 7,32 0,75 Pav 337 –26 20,4 5,40 0,65 Lyr 63 8 7,1 8,25 0,86 Sgr 9 –23 19,0 6,95 0,69 Sge 57 –5 7,2 8,30 1,13 Peg 65 –27 12,3 6,35 0,68 Aqr 53 –36 12,9 6,50 0,67 Cap 27 –47 11,0 7,50 0,58
F8 G4 F5 F8 G0 F7 G1 F6 F5 F4 G2 F3 F3 F3
R, Vr , êïê êì/ñ
MV (B–V)0
5,6 +27 8,3 +49 3,0 –137 8,6 +228 6,4 –93 20,0 +141 8,0 –74 3,8 –27 9,7 –117 5,1 +184 3,6 –6 9,8 –94 11,1 +4 7,6 –179
–8,1 –7,90 –8,45 –7,32 –7,30 –9,41 –7,48 –7,80 –7,35 –6,85 –5,60 –8,91 –8,95 –7,10
0,77 0,82 0,64 0,64 0,81 0,71 0,72 0,62 0,64 0,62 0,85 0,56 0,61 0,57
6. ßðêèå äèôôóçíûå òóìàííîñòè vdB — âàí äåí Áåðã; Sh — Øàðïëåñ; m V è Ñïåêòð îòíîñÿòñÿ ê çâåçäå, îñâåùàþùåé òóìàííîñòü (v — ïåðåìåííàÿ). Äàííûå ïî: Sky Catalogue 2000. Òóìàííîñòü Ñîçâ./çâ.
a h m
IC 59 NGC 1499 IC 2118
g Cas Per Eri
0 56,7 +61 04 10¢´5¢ 2,47v 4 00,7: +36 37: 145´40 4,04 5 06,9: –7 13: 180´60 0,12
NGC 1976
q1 Ori
5 35,4
NGC 1977 42 Ori NGC 2070 30 Dor NGC 2024 z Ori NGC 2237-9 Mon NGC 2261 R Mon
5 5 5 6 6
d °
¢
Ðàçìåðû mV
Ñïåêòð B0IVe O7e B8Iae:
–5 27
66´60
2,9
OB
35,5 –4 52 38,7 –69 06 40,7 –2 27 32,3 +5 03 39,2 +8 44
20´10 40´25 30´30 80´60 2´1
4,59
B1V
2,05
O9,5Ibe
10,0v
S Mon 6 40,9 +9 54 60´30 4,66v Mon 7 05,1 –10 42 120´40 6,21 h Car 10 43,8 –59 52 120´120 6,21v
IC 2944 vdB 107 NGC 6514
l Cen a Sco Sgr
75´50 85´80 29´27
«Êàëèôîðíèÿ» (Ðèãåëü), îòðàæàòåëüíàÿ òóìàííîñòü Áîëüøàÿ òóìàííîñòü Îðèîíà, M42 «Òàðàíòóë» â ÁÌÎ
NGC 2264 IC 2177 NGC 3372
11 38,3 –63 22 16 29,2 –26 27 18 02,6 –23 02
Ïðèìå÷àíèÿ
O7Ve O7III
«Ðîçåòêà» Ïåðåìåííàÿ òóìàííîñòü Õàááëà «Êîíóñ» Âêëþ÷àåò òóìàííîñòü «Keyhole»
3,13 B9III 0,92 M1Ib+dB4 (Àíòàðåñ) 7,63 O5e «Òðîéíàÿ» (Trifid), M20
422
Ïðèëîæåíèå
ßðêèå äèôôóçíûå òóìàííîñòè (îêîí÷àíèå)
a h m
Òóìàííîñòü Ñîçâ./çâ.
d °
03,8 18,8 20,8 31,3 14,3 45,7 50,8
–24 –13 –16 –10 +39 +30 +44
Ðàçìåðû mV
¢
NGC 6523 NGC 6611 NGC 6618 IC 1287 IC 1318 NGC 6960 IC 5070
Sgr Ser Sgr Sct g Cyg 52 Cyg Cyg
18 18 18 18 20 20 20
23 90¢´40¢ 47 35´28 11 46´37 50 44´34 54 40´40 43 70´6 21 80´70
NGC 6992 NGC 7000 Sh2-129
Cyg a Cyg Cep
20 56,4 +31 43 60´8 20 58,8: +44 20: 120´100 5,96 21 11,8 +59 57 100´65 5,64
Ñïåêòð
Ïðèìå÷àíèÿ «Ëàãóíà», M8 «Îðåë», M16 «Îìåãà», M17
5,5 2,20
B2V F8Ib (Cirrus) «Ïåëèêàí» âìåñòå ñ IC 5067 «Ñåòü» «Ñåâåðíàÿ Àìåðèêà»
O6V B0II
7. Çâåçäíîå íàñåëåíèå Ãàëàêòèêè Êëàññ ñâåòèìîñòè
Ñïåêò- Òèïè÷- Òèïè÷íàÿ Âêëàä (%) â… ðàëüíûé íàÿ ìàñ- ñâåòè- Êîëè÷åñò- êîëèñâåòèêëàññ ñà, MA ìîñòü, LA âî çâåçä ÷åñòâî ìàññó ìîñòü
Ñâåðõãèãàíòû (I, II)
O–M
?
50 000
~105
~0
~0
~3
Êðàñíûå ãèãàíòû (III)
F–M
1,2
40
»2 · 109
0,5
0,6
~38
O B
25 5
80 000 200
~104 3 · 108
~0 0,1
~0 1
~1 28
A
1,7
6
3 · 109
0,6
3
9
Ãëàâíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü (V)
Áåëûå êàðëèêè
10
F
1,2
1,4
1,2 · 10
3
9
8
G
0,9
0,6
2,6 · 1010
7
13,4
7
K
0,5
0,2
5,2 · 1010
12,8
15
5
11
M
0,25
0,005
2,7 · 10
67
38
1
B–M
1,0
0,005
»3,5 · 1010
9
20
~0
Âñåãî
~400 · 109 100%
100% 100%
Ñóììàðíûé âêëàä çâåçä â ïîëíóþ ìàññó Ãàëàêòèêè îöåíèâàåòñÿ â 1,75 · 1011 ÌA. Ñóììàðíûé âêëàä çâåçä â ïîëíóþ ñâåòèìîñòü Ãàëàêòèêè » 2 · 1010 LA = 8 · 1036 Âò.
8. Ìåñòíàÿ ãðóïïà ãàëàêòèê Êîîðäèíàòû íà ýïîõó 2000 ã. Í à ç â à í è ÿ: LMC — Áîëüøîå Ìàãåëëàíîâî Îáëàêî, SMC — Ìàëîå Ìàãåëëàíîâî Îáëàêî, WLM — Wolf-Lundmark-Melotte galaxy; SagDEG — Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy; SagDIG — Sagittarius Dwarf Irregular Galaxy. Î á î ç í à ÷ å í è ÿ: Vr — ëó÷åâàÿ ñêîðîñòü îòíîñèòåëüíî Ñîëíöà; d — óãëîâîé ðàçìåð: ìàêñèìàëüíûé è ìèíèìàëüíûé äèàìåòðû â ìèíóòàõ äóãè; D — ðàññòîÿíèå îò Ñîëíöà.
423
Ïðèëîæåíèå Íàçâàíèå (äðóãîå íàçâàíèå)
a h m s
WLM (DDO 221) IC 10 (UGC 192) Cetus (PGC 3097691) NGC 147 (UGC 326) And III (A0032+36) NGC 185 (UGC 396) M 110 (NGC 205) M 32 (NGC 221) M 31 (NGC 224) And I (A0043+37) SMC Sculptor Pisces (LGS 3) IC 1613 And V And II M 33 (NGC 598) Phoenix Fornax LMC Carina Ursa Major II Leo A (Leo III) Segue 1 Leo I (Regulus) Sextans Ursa Major I Leo B (Leo II) Ursa Minor (DDO 199) Draco (DDO 208) Ãàëàêòèêà (Ìë. Ïóòü) Sagittarius (SagDEG) SagDIG NGC 6822 Aquarius (DDO 210) Tucana Cassiopeia (And VII) Pegasus (DDO 216) Pegasus II (And VI)
00 01 58 00 20 25 00 26 11 00 33 12 00 35 17 00 38 58 00 40 23 00 42 42 00 42 44 00 45 40 00 52 36 01 00 04 01 03 57 01 04 47 01 10 17 01 16 30 01 33 51 01 51 06 02 39 53 05 19 36 06 41 37 08 51 30 09 59 23 10 07 04 10 08 27 10 13 03 10 34 53 11 13 27 15 08 49 17 20 19 17 45 40 18 55 04 19 29 59 19 44 56 20 46 53 22 41 49 23 26 31 23 28 34 23 51 39
d °
¢
Òèï
–15 27,9 Ir +59 17,5 Ir –11 02,7 dSph +48 30,5 Sph +36 30,5 dSph +48 20,3 Sph +41 41,2 Sph +40 51,9 E2 +41 16,2 Sb +38 02,5 E3 pec –72 48,0 Ir –33 42,9 dSph +21 53,7 dIr +02 08,2 Ir +47 37,7 dSph +33 25,2 dSph +30 29,6 Sc –44 26,7 dIr –34 30,3 dSph –69 27,1 Ir –50 58,0 dSph +63 07,8 dSph +30 44,7 Ir +16 04,9 dSph +12 18,5 dSph –01 36,9 dSph +51 55,2 dSph +22 09,7 dSph +67 06,6 dSph +57 55,1 dSph –29 00,5 Sbc –30 28,7 dSph –17 40,7 Ir –14 48,1 Ir –12 51,0 Ir –64 25,4 dSph +50 41,5 dSph +14 44,8 Ir +24 35,7 dSph
d ¢´ ¢
mV
MV
10´4 5´4 5´4 13´8 5´3 12´10 17´10 9´7 180´60 3 280´160 50 2 12 2 4´3 62´39 5´4 20´14 650´550 23´16 28´14 5´3 8,8 11´8 30´12 20 15´13 27´16 34´19 — 450´216 3´2 10 2´1 3´1 3´2 5´3 4´2
10,4 10,4 14,4 9,5 14,2 10,1 8,1 8,1 3,4 13,6 2,0 8,8 14,3 9,1 15,9 12,7 5,9 13,1 7,3 0,4 10,6 14,3 12,7 13,8 10,2 12,0 13,2 11,6 10,6 11,0 — 4,5 14,2 8,5 13,9 15,2 15,2 13,2 14,1
–14,4 –16,3 –10,1 –15,1 –10,2 –15,6 –16,4 –16,5 –21,2 –11,8 –17,1 –9,8 –10,4 –15,3 –10,2 –11,8 –18,9 –9,8 –13,1 –18,5 –9,4 –4,2 –11,5 –2 –11,9 –8,5 –6,8 –10,1 –8,5 –8,6 –20,9 –13,8 –10,7 –16,0 –11,3 –9,6 –9,5 –12,3 –10,6
Vr , D, êì/ñ êïê –120 –344 –193 –351 –202 –244 –205 –301 –368 +148 +110 –286 –232 –403 –188 –181 +60 +53 +275 +230 +116 +24 +206 +287 +224 +76 –247 –293 +16 +140 –79 –56 –141 +130 –307 –182 –354
925 660 760 660 750 630 760 760 760 735 59 87 810 725 773 680 795 395 138 50 100 30 690 23 250 90 100 210 63 79 8 20 1 040 500 950 980 790 920 820
l, ° b, ° 076 119 101 120 119 121 121 121 121 122 303 288 127 130 126 129 134 272 237 280 260 152 197 220 226 244 159 220 105 086 000 006 021 025 034 323 110 095 106
–74 –03 –73 –14 –26 –14 –21 –22 –22 –25 –44 –83 –41 –61 –15 –29 –31 –69 –66 –33 –22 +37 +52 +50 +49 +42 +54 +67 +45 +35 00 –14 –16 –18 –31 –47 –10 –44 –36
424
Ïðèëîæåíèå
9. ßðêèå ãàëàêòèêè Òàáëèöà ñîñòàâëåíà íà îñíîâå «Êàòàëîãà ÿðêèõ ãàëàêòèê» Õ. Øåïëè è À. Ýéìñ. Ïðèâåäåíû äàííûå î 17 íàèáîëåå ÿðêèõ ãàëàêòèêàõ, äî 9m, äîñòóïíûõ íàáëþäåíèþ â îáû÷íûé áèíîêëü. Áîëüøèíñòâî ñðåäè íèõ — ñïèðàëüíûå ñèñòåìû, íî åñòü è ýëëèïòè÷åñêèå, è äàæå íåïðàâèëüíûå. Ñàìûå ÿðêèå èç íèõ îòíîñÿòñÿ ê Ìåñòíîé ãðóïïå ãàëàêòèê, â êîòîðóþ âõîäèò è íàøà çâåçäíàÿ ñèñòåìà (ñì. ïðèëîæ. 8).  ïåðâîì ñòîëáöå óêàçàí íîìåð ãàëàêòèêè ïî «Íîâîìó îáùåìó êàòàëîãó» (NGC), à âî âòîðîì ñòîëáöå — ïî êàòàëîãó Ìåññüå (M), åñëè îíè òàì åñòü. Âî âòîðîì ñòîëáöå âñòðå÷àþòñÿ òàêæå àááðåâèàòóðû, íå îòíîñÿùèåñÿ ê êàòàëîãó Ìåññüå: ýòî ÌÌÎ — Ìàëîå Ìàãåëëàíîâî Îáëàêî, ÁÌÎ — Áîëüøîå Ìàãåëëàíîâî Îáëàêî è Cen A — ðàäèîãàëàêòèêà Êåíòàâð À.  òðåòüåì ñòîëáöå óêàçàí ìîðôîëîãè÷åñêèé òèï ãàëàêòèêè: S — ñïèðàëüíàÿ, E — ýëëèïòè÷åñêàÿ, I — íåïðàâèëüíàÿ, S0 — ëèíçîâèäíàÿ, SB — ïåðåñå÷åííàÿ ñïèðàëüíàÿ. Äîïîëíèòåëüíûå ìàëåíüêèå áóêâû óêàçûâàþò ïîäòèï (a, b, c), ñõîæåñòü ñ Ìàãåëëàíîâûìè Îáëàêàìè (m) èëè íåîáû÷íîñòü, ïåêóëÿðíîñòü ñèñòåìû (p). Ó ñïóòíèêà ãàëàêòèêè Àíäðîìåäû (Ì31) — íåáîëüøîé ýëëèïñîâèäíîé ñèñòåìû NGC 205 — ìîðôîëîãè÷åñêèé òèï íåîïðåäåëåííûé: îíà ïîõîæà è íà ëèíçîâèäíóþ ãàëàêòèêó è íà ñèëüíî ñæàòóþ ýëëèïòè÷åñêóþ ñèñòåìó. À ãàëàêòèêà NGC 5128 âîîáùå íå ïîääàåòñÿ êëàññèôèêàöèè, ïîñêîëüêó ÿâëÿåòñÿ êîíãëîìåðàòîì äâóõ ñëèâøèõñÿ ñèñòåì — ýëëèïòè÷åñêîé è ñïèðàëüíîé (èëè íåïðàâèëüíîé). Êîîðäèíàòû (2000.0)
Ãàëàêòèêà Òèï NGC 55 205 221 224 253 — 300 598 — 2403 3031 4258 4736 5128 5194 5236 5457
M
a
d
Âèäèìûå ïàðàìåòðû
Èñòèííûå ïàðàìåòðû çâåçä. äèàìåòð, ñâåòèìëí óãëîâîé âåëè÷è- òûñ. ñâ. ìîñòü, Ìïê ñâ. ëåò ðàçìåð íà, mB ëåò 109 LA Ðàññòîÿíèå
— Sc 00h 15m 08s –39°13,2¢ 3,1 110 S0/E5p 00 40 23 +41 41,3 0,73 32 E2 00 42 41 +40 51,9 0,73 31 Sb 00 42 45 +41 16,5 0,73 — Sc 00 47 36 –25 17,4 4,2 ÌÌÎ Im 00 52 38 –72 48,0 0,06 — Sc 00 54 53 –37 41,2 2,4 33 Sc 01 33 53 +30 39,2 0,67 ÁÌÎ SBm 05 23 36 –69 45,4 0,05 — Sc 07 36 54 +65 35,9 3,6 81 Sb 09 55 34 +69 04,1 3,6 106 Sb 12 18 57 +47 18,4 10,0 94 Sab 12 50 54 +41 07,1 6,9 Cen A Ep? 13 25 29 –43 01,0 6,9 51 Sbc 13 29 53 +47 11,9 11,0 83 SBc 13 37 00 –29 52,0 6,9 101 Sc 14 03 13 +54 21,0 7,6
10,1 2,4 2,4 2,4 13,7 0,20 7,8 2,2 0,16 11,7 11,7 32,6 22,5 22,5 35,9 22,5 24,8
25¢´3¢ 8´3 3´3 160´40 22´6 216´216 20´10 60´40 432´432 16´10 16´10 20´6 5´4 10´3 12´6 10´8 22´22
8,2 8,8 9,0 4,4 8,1 2,8 8,7 6,3 0,6 8,9 7,9 9,0 8,9 7,9 8,6 8,5 8,2
73 6 2 110 88 13 45 38 22 54 54 190 33 65 125 65 160
9 0,3 0,2 23 18 0,5 3 2 3 6 16 44 23 57 76 33 53
425
Ïðèëîæåíèå
10. Íîáåëåâñêèå ïðåìèè ïî ôèçèêå (àñòðîôèçè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ) Ãîä
Ëàóðåàòû
Çà ÷òî ïðèñóæäåíà ïðåìèÿ
1936 Â. Ô. Ãåññ (Àâñòðèÿ)
Çà îòêðûòèå êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé
1967 Ã. Áåòå (ÑØÀ)
Çà âêëàä â òåîðèþ ÿäåðíûõ ðåàêöèé, îñîáåííî çà îòêðûòèÿ, êàñàþùèåñÿ èñòî÷íèêîâ ýíåðãèè çâ¸çä Çà îòêðûòèÿ â ìàãíèòîãèäðîäèíàìèêå è èõ ïðèìåíåíèå â ðàçëè÷íûõ ðàçäåëàõ ôèçèêè ïëàçìû
1970 Õ. Àëüôâåí (Øâåöèÿ)
1974
Ì. Ðàéë (Âåëèêîáðèòàíèÿ)
Ý. Õüþèø (Âåëèêîáðèòàíèÿ) À. Ïåíçèàñ, Ð. Âèëñîí 1978 (ÑØÀ)
1983
Çà ïèîíåðñêèå èññëåäîâàíèÿ â ðàäèîàñòðîôèçèêå, â òîì ÷èñëå çà ìåòîä àïåðòóðíîãî ñèíòåçà Çà îïðåäåëÿþùóþ ðîëü â îòêðûòèè ïóëüñàðîâ Çà îòêðûòèå êîñìè÷åñêîãî ìèêðîâîëíîâîãî ôîíîâîãî èçëó÷åíèÿ
Ñ. ×àíäðàñåêàð (ÑØÀ)
Çà ôèçè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ ñòðóêòóðû è ýâîëþöèè çâåçä
Ó. Ôàóëåð (ÑØÀ)
Çà èññëåäîâàíèÿ ÿäåðíûõ ðåàêöèé, îòâå÷àþùèõ çà ôîðìèðîâàíèå õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ âî Âñåëåííîé
1993 Ð. Õàëñ, Äæ. Òåéëîð (ÑØÀ) Ð. Äýâèñ (ÑØÀ), Ì. Êîøèáà (ßïîíèÿ)
Çà îòêðûòèå íîâîãî òèïà ïóëüñàðà, äàâøåå íîâûå âîçìîæíîñòè äëÿ èññëåäîâàíèÿ ãðàâèòàöèè Çà ðàáîòû ïî àñòðîôèçèêå, â ÷àñòíîñòè, çà îáíàðóæåíèå êîñìè÷åñêèõ íåéòðèíî
2002 Ð. Äæèàêêîíè (ÑØÀ)
Çà èçûñêàíèÿ â îáëàñòè àñòðîôèçèêè, êîòîðûå ïðèâåëè ê îòêðûòèþ êîñìè÷åñêèõ èñòî÷íèêîâ ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ
2006 Äæ. Ìàçåð, Äæ. Ñìóò (ÑØÀ)
Çà îòêðûòèå àíèçîòðîïèè è ÷åðíîòåëüíîé ôîðìû ñïåêòðà êîñìè÷åñêîãî ôîíîâîãî èçëó÷åíèÿ
2011 Ñ. Ïåðëìóòòåð (ÑØÀ), Çà îòêðûòèå óñêîðåííîãî ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé Á. Øìèäò (ÑØÀ è Àâñò- ïîñðåäñòâîì íàáëþäåíèÿ äàëåêèõ ñâåðõíîâûõ ðàëèÿ), À. Ðèññ (ÑØÀ)
Ad astra! ñòðîíîìèÿ — äðåâíåéøàÿ èç íàóê. Åùå äî íà÷àëà Íîâîé ýðû ó àñòðîíîìèè áûëè ãðàíäèîçíûå äîñòèæåíèÿ, à ïîÿâëåíèå òåëåñêîïà â XVII â. âî ìíîãî ðàç óñêîðèëî åå ïðîãðåññ. È âñ¸ æå ïðîøåäøèé ÕÕ âåê îçíà÷àë äëÿ àñòðîíîìèè íå÷òî áîëüøåå, ÷åì î÷åðåäíûå ñòî ëåò. Êàê è âñå åñòåñòâåííûå íàóêè, àñòðîíîìèÿ çà ïîñëåäíåå ñòîëåòèå èñïûòàëà ãèãàíòñêèé êîëè÷åñòâåííûé è êà÷åñòâåííûé ðîñò. Èìåííî â ÕÕ â. ìû ïîíÿëè ôèçè÷åñêóþ ïðèðîäó çâåçä è ðàçãàäàëè òàéíó èõ ðîæäåíèÿ, îòêðûëè ìèð ãàëàêòèê è ïî÷òè ïîëíîñòüþ âîññòàíîâèëè èñòîðèþ Âñåëåííîé. Çà ïîñëåäíèå ïîëâåêà àâòîìàòè÷åñêèå çîíäû ïîñåòèëè ñîñåäíèå ïëàíåòû è ìàëûå òåëà Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû, à íîâûå òåëåñêîïû ïîçâîëèëè îáíàðóæèòü ïëàíåòíûå ñèñòåìû ó äðóãèõ çâåçä, îòêðûòü óäèâèòåëüíûå îáúåêòû — íåéòðîííûå çâåçäû è ÷åðíûå äûðû, çàìåòèòü ñóùåñòâîâàíèå òåìíîé ìàòåðèè è òåìíîé ýíåðãèè. Êàê âèäèì, àñòðîíîìèÿ — õîòÿ è äðåâíåéøàÿ, íî î÷åíü äèíàìè÷íàÿ íàóêà. Áûñòðî ñîâåðøåíñòâóþòñÿ åå ïðèáîðû, ñòðåìèòåëüíî ðàçäâèãàþòñÿ ãðàíèöû èçó÷åííîé ÷àñòè Âñåëåííîé, ïîñòîÿííî îáíàðóæèâàþòñÿ íîâûå òèïû àñòðîíîìè÷åñêèõ îáúåêòîâ. Òàêîå ôàíòàñòè÷åñêîå ðàñøèðåíèå ãîðèçîíòà ïîçíàíèÿ, êàêîå ìû èìåëè çà ïîñëåäíèå äåñÿòèëåòèÿ, äóìàþ, óæå íå ïîâòîðèòñÿ íèêîãäà! Âïðî÷åì, ñêîðåå âñåãî, ÿ îøèáàþñü: «íèêîãäà íå ãîâîðè „íèêîãäà“».
À
Àâòîðû ÀÂÅÄÈÑÎÂÀ Âåòà Ñåðãååâíà, íàó÷íûé ñîòðóäíèê Èíñòèòóòà àñòðîíîìèè ÐÀÍ. ÂÈÁÅ Äìèòðèé Çèãôðèäîâè÷, äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê, çàâ. îòäåëîì ôèçèêè è ýâîëþöèè çâåçä Èíñòèòóòà àñòðîíîìèè ÐÀÍ. ÄÜß×ÅÍÊÎ Àíòîí Èâàíîâè÷, ìàòåìàòèê, ëþáèòåëü àñòðîíîìèè, ñîòðóäíèê ïóáëèêàòîðñêîãî îòäåëà Öåíòðà-ìóçåÿ èì. Í. Ê. Ðåðèõà, ã. Ìîñêâà. ÇÀÑΠÀíàòîëèé Âëàäèìèðîâè÷, äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð ôèçè÷åñêîãî ôàêóëüòåòà ÌÃÓ, çàâ. îòäåëîì âíåãàëàêòè÷åñêîé àñòðîíîìèè Ãîñóäàðñòâåííîãî àñòðîíîìè÷åñêîãî èíñòèòóòà èì. Ï. Ê. Øòåðíáåðãà, ÌÃÓ. ÊÎÌÁÅÐà Áîðèñ Âàëåíòèíîâè÷, äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê, çàâ. ëàáîðòàòîðèåé òåîðåòè÷åñêîãî îòäåëà Àñòðî-êîñìè÷åñêîãî öåíòðà ÔÈÀÍ. ÎÐËΠÂèêòîð Âëàäèìèðîâè÷, äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð, Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò. ÎÑÈÏÊΠËåîíèä Ïåòðîâè÷, êàíäèäàò ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê, äîöåíò, Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò. ÐÅÏÈÍ Ñåðãåé Âèêòîðîâè÷, íàó÷íûé ñîòðóäíèê îòäåëà êîñìè÷åñêîé ïëàçìû Èíñòèòóòà êîñìè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé ÐÀÍ. ÐÓÁÈÍΠÀëåêñåé Âàäèìîâè÷, êàíäèäàò ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê, íàó÷íûé ñîòðóäíèê Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî óíèâåðñèòåòà. ÑÈËÜ×ÅÍÊÎ Îëüãà Êàñüÿíîâíà, äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê, çàâ. îòäåëîì ýìèññèîííûõ çâåçä è ãàëàêòèê Ãîñóäàðñòâåííîãî àñòðîíîìè÷åñêîãî èíñòèòóòà èì. Ï. Ê. Øòåðíáåðãà, ÌÃÓ. ÑÓÐÄÈÍ Âëàäèìèð Ãåîðãèåâè÷, êàíäèäàò ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íaóê, äîöåíò ôèçè÷åñêîãî ôàêóëüòåòà ÌÃÓ, ñòàðøèé íàó÷íûé ñîòðóäíèê Ãîñóäàðñòâåííîãî àñòðîíîìè÷åñêîãî èíñòèòóòà èì. Ï. Ê. Øòåðíáåðãà, ÌÃÓ.
Ñîäåðæàíèå
Ïðåäèñëîâèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Ãëàâà 1. Çâåçäû, ãàëàêòèêè, Âñåëåííàÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1. Âñ¸ íå òàê . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2. Ìàñøòàáû, êîòîðûå ìû ïîñòèãàåì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3. Ïðîøëîå è áóäóùåå íàøåãî ìèðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.4. Íåáî, êîòîðîå ìû íàáëþäàåì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.5. Òåëåñêîïû è ãàëàêòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.6. Îáúåì çâåçä â îáúåìå Âñåëåííîé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Ãëàâà 2. Ïðîáëåìà òðåõ òåë — áàíàëüíàÿ è çàãàäî÷íàÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.1. Äâà ïëþñ îäèí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2. Îò òåîðèè ê íàáëþäåíèÿì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Ãëàâà 3. Äèíàìèêà ñèñòåìû çâåçä . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.1. Äâèæåíèå Ñîëíöà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2. Îñòàòî÷íûå ñêîðîñòè. Ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3. Äâîéíûå ñèñòåìû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.4. Îðáèòû â òðîéíûõ ñèñòåìàõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.5. Ðåãóëÿðíûå è èððåãóëÿðíûå ñèëû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.6. Ïëîñêèå çâåçäíûå îðáèòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.7. Ïðîñòðàíñòâåííûå îðáèòû çâåçä. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.8. Òåîðåìà âèðèàëà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.9. Âðåìÿ ðåëàêñàöèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.10. Áåññòîëêíîâèòåëüíàÿ ðåëàêñàöèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.11. Äèíàìè÷åñêîå òðåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.12. Èñïàðåíèå çâåçä èç ñêîïëåíèé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.13. Îñîáåííîñòè «çâåçäíîãî ãàçà» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.14. Ðàâíîâåñèå çâåçäíûõ ñèñòåì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.15. Îá óñòîé÷èâîñòè çâåçäíûõ ñèñòåì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.15.1. Ãðàâèòàöèîííàÿ íåóñòîé÷èâîñòü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.15.2. Óñòîé÷èâîñòü ñôåðè÷åñêèõ çâåçäíûõ ñèñòåì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.15.3. Íåóñòîé÷èâîñòè â ìîäåëÿõ ñïëþñíóòûõ ãàëàêòèê . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.16. Î ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðå ãàëàêòèê. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Ãëàâà 4. Ãàëàêòèêà è åå îêðåñòíîñòè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 4.1. Ãàëàêòè÷åñêîå êðàåâåäåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.2. Íîâàÿ êîñìîãðàôèÿ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
429
4.3. Âîêðóã Ãàëàêòèêè. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 4.4. Ïîëîæåíèå Ñîëíöà â Ãàëàêòèêå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.5. Âîêðóã Ñîëíöà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.6. Ïîÿñ Ãóëäà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 4.7. Íà ãðàíèöå Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 4.8. Ãàëàêòè÷åñêàÿ ýêîëîãèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Ãëàâà 5. Äâèæóùèåñÿ ãðóïïû çâåçä . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 5.1. Çâåçäà-ñêîðîõîä. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 5.2. Ëåòÿùèå ãðóïïû Ýããåíà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 5.3. Ïîòîê Ïëåÿä è Ìåñòíàÿ Òðóáà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 5.4. Ïîòîê Ñèðèóñà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 5.5. «Çâåçäíûå ðåêè». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 5.6. Ïîòîê Àðêòóðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Ãëàâà 6. Ñïèðàëüíàÿ ñòðóêòóðà íàøåé ãàëàêòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.1. Ìëå÷íûé Ïóòü — ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.2. Îïðåäåëåíèå ðàññòîÿíèé â Ãàëàêòèêå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6.2.1. Òðèãîíîìåòðè÷åñêèé ìåòîä . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6.2.2. Ôîòîìåòðè÷åñêèé ìåòîä . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 6.2.3. Êèíåìàòè÷åñêèé ìåòîä . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 6.3. Êðèâàÿ âðàùåíèÿ Ãàëàêòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 6.3.1. Ïðîôèëè ëèíèè 21 ñì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 6.3.2. Îïðåäåëåíèå R0 è Q0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 6.3.4. Âðàùåíèå Ãàëàêòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 6.4. Ñïèðàëüíûå âåòâè Ãàëàêòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 6.5. Òåîðèÿ ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Ãëàâà 7. Ãàëàêòèêè: êëàññèôèêàöèÿ, ñòðóêòóðà, íàñåëåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 7.1. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ êëàññèôèêàöèÿ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 7.1.1. Êëàññèôèêàöèÿ ïî Õàááëó . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 7.1.2. Êëàññèôèêàöèÿ ïî Ìîðãàíó (Éåðêññêàÿ ñèñòåìà) . . . . . . . . . . . . . . . . 220 7.1.3. Êëàññèôèêàöèÿ ïî Âîêóë¸ðó . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 7.1.4. Êëàññèôèêàöèÿ ïî âàí äåí Áåðãó (ñèñòåìà DDO) . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 7.1.5. Ðàçâèòèå êëàññèôèêàöèè ãàëàêòèê. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 7.1.6. Îñîáûå òèïû ãàëàêòèê . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 7.2. Îöåíêà ðàññòîÿíèé äî ãàëàêòèê. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 7.3. Ñîñòàâ ãàëàêòèê . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 7.3.1. Çâåçäû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 7.3.2. Ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 7.3.3. Çâåçäîîáðàçîâàíèå â ãàëàêòèêàõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
430
7.4. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 7.4.1. Ñèììåòðèÿ ôîðìû è ñèììåòðèÿ ýâîëþöèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 7.4.2. Ìíîãîîáðàçèå çâåçäíûõ ñèñòåì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 7.4.3. Ðîæäåíèå è ìîëîäîñòü çâåçäíûõ êîëëåêòèâîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 7.4.4. Ìåõàíèçìû ýâîëþöèè âçðîñëûõ ñêîïëåíèé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 7.4.5. Ïîèñê çâåçäíûõ ñêîïëåíèé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 7.5. Êèíåìàòèêà ãàëàêòèê . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 7.5.1. Âðàùåíèå ãàëàêòèê . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 7.5.2. Ãèïåðñêîðîñòíûå çâåçäû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 7.6. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 7.6.1. Çàãàäî÷íàÿ ñóáñòàíöèÿ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 7.6.2. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 7.6.3. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ â ãàëî Ãàëàêòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 7.6.4. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ â ñêîïëåíèÿõ ãàëàêòèê. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 7.6.5. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ è êðóïíîìàñøòàáíàÿ ñòðóêòóðà Âñåëåííîé . . . . . . 298 7.6.6. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ è òåîðèÿ ïðîèñõîæäåíèÿ ãàëàêòèê . . . . . . . . . . . . . . 302 7.6.7. Ïîèñê íåâèäèìîé ìàññû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 7.7. Ìåòàìîðôîç ãàëàêòèê . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
Ãëàâà 8. Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 8.1. Äâà ïîäõîäà ê èçó÷åíèþ ýâîëþöèè ãàëàêòèê . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 8.2. Ìîðôîëîãè÷åñêàÿ ñõåìà èëè èñòîðè÷åñêàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü? Ýâîëþöèÿ âçãëÿäîâ íà ýâîëþöèþ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 8.3. Ìåõàíèçìû ýâîëþöèè ãàëàêòèê. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 8.3.1. Ïðîòîãàëàêòè÷åñêèé êîëëàïñ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 8.3.2. Âíóòðåííÿÿ âåêîâàÿ ýâîëþöèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 8.3.3. Âíåøíÿÿ âåêîâàÿ ýâîëþöèÿ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 8.3.4. Âíåøíÿÿ áûñòðàÿ (áóðíàÿ) ýâîëþöèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 8.3.5. Ìèêðîýâîëþöèÿ: çâåçäîîáðàçîâàíèå. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 8.3.6. Ìèêðîýâîëþöèÿ: èçìåíåíèå õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà . . . . . . . . . . . . . . . 335 8.4. Ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ çâåçäíûõ ñèñòåì . . . . . . . . . . . . . . . . 341 8.5. Ïîñëåäíèå äàííûå è ñâåæèå èäåè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 8.5.1. Êàðëèêîâûå íåïðàâèëüíûå è ñôåðîèäàëüíûå ãàëàêòèêè . . . . . . . . . . 347 8.5.2. Ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 8.4.3. Äèñêîâûå ãàëàêòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
Ãëàâà 9. Àêòèâíûå ÿäðà ãàëàêòèê è êâàçàðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 9.1. Ïåðâûå 10 ëåò ýðû êâàçàðîâ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 9.1.1. Äî êâàçàðîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 9.1.2. Îòêðûòèå êâàçàðîâ è èõ ñâîéñòâà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 9.1.3. Ïåðâûå ìîäåëè êâàçàðîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 9.2. Êâàçàðû: 50 ëåò ñïóñòÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
431
9.2.1. Íåìíîãî ñòàòèñòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 9.2.2. Ðàäèîãðîìêèå è ðàäèîòèõèå êâàçàðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 9.2.3. Ýìèññèîííûå ëèíèè â ñïåêòðàõ êâàçàðîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 9.3. Êâàçàðû êàê èíñòðóìåíò äëÿ èçó÷åíèÿ Ìåòàãàëàêòèêè . . . . . . . . . . . . . . . 386 9.3.1. Ëèíèè ïîãëîùåíèÿ â ñïåêòðàõ êâàçàðîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 9.3.2. Ãðàâèòàöèîííîå ëèíçèðîâàíèå êâàçàðîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 9.4. Îöåíêà ìàññ êîìïàêòíûõ îáúåêòîâ â ÿäðàõ ãàëàêòèê . . . . . . . . . . . . . . . . 396 9.5. Çàãàäêà êâàçàðîâ åùå íå ðåøåíà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
Ïðèëîæåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 1. Êàòàëîã Ìåññüå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 2. Êàòàëîã Êîëäâåëëà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 3. Çâåçäíûå àññîöèàöèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 4. ßðêèå ðàññåÿííûå ñêîïëåíèÿ Ãàëàêòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 5. ßðêèå øàðîâûå ñêîïëåíèÿ Ãàëàêòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 6. ßðêèå äèôôóçíûå òóìàííîñòè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 7. Çâåçäíîå íàñåëåíèå Ãàëàêòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 8. Ìåñòíàÿ ãðóïïà ãàëàêòèê . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 9. ßðêèå ãàëàêòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 10. Íîáåëåâñêèå ïðåìèè ïî ôèçèêå (àñòðîôèçè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ) . . . . . . . 425 Ad astra!. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426 Àâòîðû. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
ÀÂÅÄÈÑÎÂÀ Âåòà Ñåðãååâíà ÂÈÁÅ Äìèòðèé Çèãôðèäîâè÷ ÄÜß×ÅÍÊÎ Àíòîí Èâàíîâè÷ ÇÀÑΠÀíàòîëèé Âëàäèìèðîâè÷ ÊÎÌÁÅÐà Áîðèñ Âàëåíòèíîâè÷ ÎÐËΠÂèêòîð Âëàäèìèðîâè÷ ÎÑÈÏÊΠËåîíèä Ïåòðîâè÷ ÐÅÏÈÍ Ñåðãåé Âèêòîðîâè÷ ÐÓÁÈÍΠÀëåêñåé Âàäèìîâè÷ ÑÈËÜ×ÅÍÊÎ Îëüãà Êàñüÿíîâíà ÑÓÐÄÈÍ Âëàäèìèð Ãåîðãèåâè÷
ÃÀËÀÊÒÈÊÈ
Ðåäàêòîð-ñîñòàâèòåëü Â. Ã. Ñóðäèí Îðèãèíàë-ìàêåò è îôîðìëåíèå: Í. Ë. Âàñèëüåâà
Ïîäïèñàíî â ïå÷àòü 5.02.2013. Ôîðìàò 60´90/16. Áóìàãà îôñåòíàÿ. Ïå÷àòü îôñåòíàÿ. Óñë. ïå÷. ë. 27. Ó÷.-èçä. ë. 28,35. Òèðàæ 1500 ýêç. Çàêàç ¹ Èçäàòåëüñêàÿ ôèðìà «Ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêàÿ ëèòåðàòóðà» ÌÀÈÊ «Íàóêà/Èíòåðïåðèîäèêà» 117997, Ìîñêâà, óë. Ïðîôñîþçíàÿ, 90 E-mail: fizmat@maik.ru, fmlsale@maik.ru; http://www.fml.ru Îòïå÷àòàíî ñ ýëåêòðîííûõ íîñèòåëåé èçäàòåëüñòâà â ÎÎÎ «×åáîêñàðñêàÿ òèïîãðàôèÿ ¹ 1» 428019, ã. ×åáîêñàðû, ïð. È. ßêîâëåâà, 15