Глава 5
Галактики
Млечный путь
Название и внешний облик
В легендах коренных жителей Америки, индейцев чероки, его называют дорогой, по которой убегала собака; тропой, усеянной зернами кукурузы, которые обронил своровавший их пес. В восточной Азии это серебристая река на небесах. Маори Новой Зеландии видят в нем облик гигантского каноэ. В греко-римской мифологии это грудное молоко Геры, разбрызганное по всему небу младенцем Гераклом (Геркулесом), сосущим материнскую грудь.
Именно на основе последней легенды получила свое современное научное название эта ярко светящаяся пылеобразная дуга, протянувшаяся по всему ночному небу от одного конца до другого: Млечный Путь. В этом поясе света, приблизительно охватывающем 30 градусов по ширине, доминируют звездные скопления и темные полосы пылевой материи. Но все же многие из нас никогда не видели его. Восемьдесят процентов населения Северной Америки живут в регионах, где его заслоняет световое загрязнение. Примерно треть мирового населения находится в таком же положении.
Наша галактика – Млечный Путь – имеет форму плоского диска с находящимся в центре балджем и спиральными дугами, окруженными гало из темного вещества
Но это стоит того: отправиться в темную сельскую местность, чтобы увидеть все своими глазами. Зрелище Млечного Пути, наверное, самое грандиозное и впечатляющее зрелище, какое только можно увидеть на ночном небе. Галилео был первым, кто направил свой телескоп к Млечному Пути и проследил всю его длину, наблюдая за бесчисленными звездами. Даже пары биноклей вполне достаточно, чтобы увидеть, как эта полоса неба буквально кишит звездами и звездной пылью.
Большой Провал и Угольный Мешок представляют собой ярко выраженные темные области, лишенные звезд. Гигантские молекулярные облака не позволяют нам наблюдать за звездами, которые находятся за ними.
Хотя Млечный Путь виден отовсюду, реальные события концентрируются в зодиакальных созвездиях Стрельца и Скорпиона. Наилучший вид на эти области неба открывается на широте – 30 градусов, в этом случае они оказываются прямо над головой. Эта широта протягивается от Чили и Аргентины через Южную Африку и продолжается на восток, проходя совсем рядом с австралийскими городами Перт и Брисбен. Неудивительно, что ряд лучших телескопов в мире установлены вблизи этой линии. Астрономы, наблюдающие за Млечным Путем и пытающиеся разгадать его тайны, стремятся занять наилучшие для этого места.
Форма, размер и составляющие части
Мы видим Млечный Путь именно таким, потому что живем внутри него. Будучи спиральной галактикой, снаружи он напоминает две яичницы-глазуньи, приклеенные друг к другу. В центре Галактики имеется похожий на желток балдж, который окружен значительно более плоским диском. Мы находимся примерно на середине пути до края этого диска, на одном из малых спиральных ответвлений нашей Галактики.
Когда мы обращаем свой взор в направлении созвездия Стрельца, мы смотрим прямо сквозь диск на заполненную до предела центральную область. Если перемещаться в направлении созвездий Ориона и Возничего, то окажется, что вы направляетесь в противоположном направлении, к краю Галактики.
Оценки размеров и составляющих частей нашего Млечного Пути варьируют в самых широких пределах. Но большинство астрономов соглашаются с тем, что ширина нашей Галактики равняется, по крайней мере, 100 тысячам световых лет. Получается просто невероятная цифра – один миллион триллионов километров. Луч света, отправившийся в путь с одной стороны галактики 100 тысяч лет назад, когда Homo Sapiens все еще делили планету с неандертальцами, только сейчас добрался бы до другой стороны.
Есть еще один способ представить себе, как это все происходит. Вообразим на секунду, что вы могли бы сократить расстояние от Солнца до границы пояса Койпера до размеров своего мизинца. В масштабе этого пальца Млечный Путь распростерся бы по всему Атлантическому океану, с одним краем в Лондоне и другим – в Кингстоне, на Ямайке. Солнце – просто крошечный космический объект по сравнению с размерами всей Галактики.
Млечный Путь, может быть, и широк, но по толщине его диск составляет в среднем всего 1 тысячу световых лет. Этот диск является местом нахождения Солнца и, по меньшей мере, еще 100 миллиардов других звезд, возможно, в общей сложности даже 400 миллиардов звезд. Оценки, сделанные на основе полученных с помощью космического телескопа «Кеплер» данных, позволяют предполагать, что в обитаемой зоне этих звезд может находиться до 60 миллиардов планет.
Звезды на этом диске вращаются вокруг центра против часовой стрелки, то есть так же, как планеты вращаются вокруг Солнца.
Солнцу требуется приблизительно 220 миллионов лет, чтобы завершить один виток по Млечному Пути, астрономы называют этот период космическим годом.
Спиральные рукава
Нам не дано увидеть Млечный Путь со стороны – он просто слишком необъятен, чтобы его можно было покинуть. Если перемещаться со скоростью космической станции «Вояджер», потребовалось бы 5 миллионов лет, чтобы выйти за пределы нашей Галактики по самому короткому пути. Но на тот случай, если бы это стало возможным, у нашей Галактики имеются самые поразительные ее части – спиральные рукава.
Четыре огромные цепочки из звезд и газа, похоже, выходят спиралью из центральной перемычки, находящейся в галактическом балдже. К ним присоединяются по меньше мере два рукава меньших размеров. Один из них служит домом для Солнца. У нас есть возможность составить картину их взаиморасположения, наблюдая за тем, как движутся звезды нашей Галактики, а также наблюдая за другими спиральными галактиками, расположенными в других частях Вселенной.
Многие годы спиральные рукава представляли собой настоящую головоломку. На первый взгляд каждый рукав выглядит как отдельная группа звезд, двигающихся вместе вокруг центра. Но такого не может быть. Спиральные галактики вращаются достаточно быстро, так что со временем рукава просто перестали бы существовать. Представим галактику в виде беговой дорожки с несколькими полосами. Точно так же, как бегуны, занимающие внутреннюю дорожку, звезды, находящиеся ближе к середине, будут опережать тех, которые находятся дальше от центра. Потребовалось бы всего несколько кругов, чтобы рукава исчезли.
В 1960-х годах китайские астрономы С. С. Лин и Фрэнк Шу поняли, что спиральные рукава больше похожи на дорожную пробку. Когда кто-то, кто едет впереди, нажимает на тормоз, все, кто едет сзади, также останавливаются. По мере того как затормозивший автомобиль ускоряет свое движение, пробка, как волна, перемещается в заднем направлении.
Когда вы сталкиваетесь с такой чрезмерно запруженной автомобилями частью дороги, вы замедляете свой ход. То же самое происходит со звездами. Когда молекулярные облака спрессовываются, их настигает коллапс, в результате которого они превращаются в новые звезды. Именно поэтому мы наблюдаем такое множество процессов образования звезд в спиральных рукавах.
Такие дорожные пробки, получившие название волн плотности, обладают одним свойством, которое вы не увидите ни на одной трассе. По мере приближения звезды к запруженному плотному региону, она затягивается в него все быстрее под воздействием коллективной гравитации звезд, уже находящихся внутри пробки. Когда звезда, наконец, выбирается из нее, она делает это очень медленно, так как гравитация остающихся в ней звезд, удерживая, тянет ее назад. По этой причине звезды проводят много времени, будучи частью волны плотности, а спиральные рукава продолжают существовать.
Центр галактики
Когда Солнце садится над спящим гавайским вулканом, купола гигантской обсерватории Кек превращаются в силуэт. С наступлением ночи они медленно открываются, демонстрируя десятиметровые зеркала, находящиеся внутри. Начиная с середины 1990-х годов астрономы пользовались этими расположенными на вершине Мауна-Кеа телескопами для сбора древнего света, падающего на Землю из центра Млечного Пути.
Они пытались точно установить и понять, вокруг чего вращается Галактика. Пристально вглядевшись сквозь 27 тысяч световых лет газа и пыли, они заметили звезды, со свистом вращающиеся вокруг яркого источника радиоволн, известного как Стрелец А (Sgr A*, произносится как «Звезда А созвездия Стрельца»). Мы можем воспользоваться скоростью звезд и расстоянием от Sgr A*, чтобы вычислить массу объекта, вокруг которого они вращаются. Получилась колоссальная масса в 4 миллиона Солнц.
Для того чтобы орбиты звезд оказались устойчивыми, необходимо, чтобы этот объект был по ширине меньше 12 миллионов километров (около пятой части расстояния от Меркурия до Солнца, или 8,5‐кратный диаметр Солнца). Единственным объектом, способным упаковать или вместить столь огромную массу в относительно небольшое пространство, является черная дыра.
Таким образом, в данный момент Солнце тащит нас вокруг черной дыры со скоростью примерно в миллион километров в час. К счастью, мы находимся на достаточно большом расстоянии от нее и можем не бояться угрозы быть засосанными внутрь, однако астрономы видели материалы, которые оказывались в опасной близости от нее. В период между 2011 и 2014 годами они наблюдали за газовым облаком, называемым «юбка Стрельца G2» и расположившимся вокруг черной дыры. Сначала они подумали, что оно собирается кануть в небытие, но, по-видимому, внутри облака находилась звезда, помогавшая ему держаться вместе.
Другое облако – Стрелец B2 – подверглось удару потока радиации, вызванной черной дырой около 400 лет назад. Можно заключить, что сравнительно недавно по космическим меркам Sgr A* была в миллионы раз активнее, чем в настоящее время.
Телескоп горизонта событий
Центр Галактики является идеальной лабораторией для проверки общей теории относительности Эйнштейна. Звезды, вращающиеся вокруг Sgr A*, испытывают гравитационное притяжение в сотню раз более мощное, чем где бы то ни было, где эта теория проверялась прежде. Точно так же, как близость Меркурия к Солнцу продемонстрировала нам изъяны в ньютоновской картине гравитации, звезды, вращающиеся вокруг центральной черной дыры Млечного Пути, могут выявить недостатки концепции Эйнштейна. При этом любые, даже малейшие отклонения, способны стать своего рода компасом, указывающим путь к успешной теории всего.
Продолжающиеся наблюдения центральных звезд через телескопы Кека будут играть значительную роль в достижении этой цели. Однако нам нужно взглянуть на черную дыру еще более пристально, если мы действительно хотим поставить теорию Эйнштейна в фокус нашего внимания. В идеале мы хотели бы увидеть, как пространство-время искривляется непосредственно за пределами горизонта событий.
Согласно предсказанию общей относительности, у черной дыры должна быть круглая тень: темное пятно внутри кольца, образованного светом, который прошел бы мимо нас, но из-за экстремального гравитационного поля черной дыры изменил свое направление в нашу сторону. Если окажется так, что тень по форме не кругообразная или не такого размера, как мы ожидали, тогда мы, возможно, окажемся на пороге революции.
Для того чтобы увидеть область вокруг черной дыры, понадобится телескоп размером с Землю. Поэтому астрономы создали телескоп горизонта событий путем объединения существующих по всему миру телескопов в единую сеть
ПУЗЫРИ ФЕРМИ
Наша Галактика продолжает преподносить сюрпризы. В 2010 году астрономы, работавшие с космическим телескопом Ферми (получившим название в честь пионера в этой области исследований) обнаружили два обширных пузыря из гамма-лучей, удаляющихся от центра Галактики. Раздувающиеся сверху и снизу от диска, эти пузыри Ферми простираются на 25 тысяч световых лет во всех направлениях. Каждый из них содержит достаточно холодного газа, чтобы образовать 2 миллиона Солнц. По убеждению астрономов они сформировались от 6 до 9 миллионов лет назад, это свидетели истории Галактики, такие же старые, как сам Млечный Путь. Их формирование было спровоцировано Sgr A*, потребляющей газовые облака весом в сотни или, возможно, даже тысячи Солнц. Однако не все поглощалось. Некоторые вещества ускорялись вокруг черной дыры и возвращались в Галактику. Ровная и округлая природа пузырей означает, что энергия выделилась за очень короткий промежуток времени.Вероятно, это был последний раз, когда Sgr A* хорошенько подкрепилась на банкете – с тех пор, по-видимому, она находится на диете, ограничиваясь легкими перекусами. У других галактик имеются чудовищных размеров черные дыры с куда более ненасытным аппетитом.
И все же фокусироваться на столь компактном объекте, находящемся на расстоянии 27 тысяч световых лет, совсем не простая задача. Для этого требуется телескоп с разрешением в две тысячи раз большим, чем у космического телескопа «Хаббл». Об одиночном телескопе такой мощности говорить не приходится – он должен быть размером с Землю.
Поэтому астрономы изобрели очень хитроумную альтернативу. Они объединили телескопы США, Мексики, Чили, Антарктиды и Испании, и эта сеть превратилась в подобие более мощного телескопа, почти такого же широкого, как наша планета. В 2017 году этот телескоп горизонта событий был впервые направлен в сторону Sgr A*, и вскоре с его помощью будут окончательно проверены теории Эйнштейна.
Назад: Экзоспутники
Дальше: Проблема ротации
