За занавесом созвездий

Глядя на небо, невозможно определить, какая из звезд дальше, а какая ближе к нам. Кажется, что они все на одинаковом расстоянии, и трудно представить, что, например, крайняя звезда в ручке «ковша» Большой Медведицы вдвое дальше от нас, чем средняя звезда, та, что «рядом» с ней. И уж совсем никому на протяжении тысячелетий не приходило в голову, что едва заметное светлое пятнышко в созвездии Андромеды – это гигантская звездная система, которая (как теперь знают даже школьники) превосходит по размерам нашу Галактику. И что это одна из ближайших к нам галактик, а свет от нее до нас идет почти 2 миллиона 300 тысяч лет…

Лишь в XX веке человек осознал, что наше прекрасное небо с созвездиями – словно легкий занавес, образованный тысячами звезд, а за ним находятся тысячи миллиардов звезд нашей Галактики и великое множество других галактик. Можно было бы, конечно, сравнить видимую картину звездного неба с вершиной айсберга, основная часть которого погружена в воду. Но это было бы слишком слабое сравнение, потому что за роскошным занавесом созвездий от нашего взора скрыта беспредельная Вселенная. Наблюдения с помощью крупнейших оптических и радиотелескопов позволяют астрономам проникнуть на миллиарды световых лет в глубины Вселенной. Совокупность данных современной внегалактической астрономии дает возможность нарисовать грандиозную астрономическую картину мира, в которой не только наша Солнечная система, но и наша Галактика – лишь небольшой фрагмент.

Прежде всего напомним, что наша Галактика с ее спутниками (Магеллановыми Облаками и несколькими карликовыми галактиками), а так-же галактики в созвездии Андромеды и Треугольника (тоже вместе со своими спутниками – карликовыми галактиками) образуют устойчивую Местную группу галактик. Центр масс Местной группы расположен на линии, соединяющей центры нашей Галактики и галактики в Андромеде (М31) на расстоянии 2/3 от М31.

Радиоастрономы, исследовавшие южное небо, неожиданно открыли в 70-х годах протяженный водородный рукав, в который погружены Магеллановы Облака и ряд карликовых галактик. Этот рукав, получивший название Магелланов поток, тянется от созвездия Пегаса к созвездию Скульптора, проходит через Магеллановы Облака и Южный полюс нашей Галактики. Оказалось, что газ в Магеллановом потоке движется, причем скорость его непрерывно меняется. Газ в потоке разрежен, но общая суммарная масса его велика и, вероятно, в миллиард раз превосходит массу Солнца.

Существование Магелланова потока – свидетельство эволюционных процессов, происходящих в Местной группе галактик. Ученые предполагают, что Магелланов поток содержит газ, некогда потерянный Магеллановыми Облаками, причем не исключено, что часть газа уже израсходована на образование некоторых карликовых галактик Местной группы. Согласно другой гипотезе, Магелланов поток – своего рода кильватерный след, который остается в газовой короне Галактики после прохождения в ней Магеллановых Облаков и их некоторых карликовых собратьев.

Большое Магелланово Облако (оно расположено в созвездии Золотой Рыбы) находится от нас на расстоянии 52 кпк, а Малое Магелланово Облако (созвездие Тукана) – на расстоянии 71 кпк. Большое Магелланово Облако особенно удобно для наблюдения, и не только потому, что оно ближе к нам, оно еще удачно «развернуто» по отношению к земному наблюдателю. В Большом Магеллановом Облаке примерно 100 миллионов звезд ярче Солнца. К числу достопримечательностей этой Галактики относится комплекс газовых туманностей Тарантул (диаметром 600 кпк), одна из ярчайших звезд S Золотой Рыбы (абсолютная звездная величина —10^m), множество звездных скоплений, переменных звезд, десятки новых звезд и остатков сверхновых, а в 1982 году там был открыт первый пульсар…

Особенно интересные данные принесло изучение больших галактик, входящих в Местную группу. По выражению известного американского астронома Харлоу Шепли, галактика в Андромеде со своими спутниками и галактика в Треугольнике все вместе образуют «архипелаг Андромеды». Это своеобразная лаборатория внегалактической астрономии, в которой удается, например, исследовать эллиптические и неправильные галактики (напомним, что наша Галактика, а так- же галактики в Андромеде и Треугольнике относятся к числу спиральных).

Наша Местная группа галактик не одинока: примерно такие же группы галактик находятся на расстоянии в несколько мегапарсек (Мпк) от нее. До соседнего крупного скопления галактик около 20 Мпк.

Галактика Сомбреро – одна из гигантских спиральных галактик, входящих в состав скопления в созвездии Девы. В него входит не менее 200 довольно ярких галактик и, вероятно, 2–3 тысячи галактик малой светимости. Размер скопления в Деве достигает 5 Мпк (считается, что скопления галактик имеют не сферическую форму, а близки к эллипсоиду, то есть сплюснуты). Известны десятки различных скоплений, находящихся от нас на расстояниях от 130 до 5200 Мпк. Каждое из скоплений, кроме галактик и разреженного газа, вероятно, включает довольно большое количество невидимого вещества («скрытая масса»), гравитация которого обеспечивает устойчивость скопления, удерживает галактики в скоплении. Природа «скрытой массы» до сих пор во многом остается загадочной. Это могут быть и невидимые погасшие звезды, и газ, и черные дыры, и нейтрино (масса которых, возможно, отличается от нулевой), и т. д.

Большой интерес у астрономов вызывает богатое скопление галактик в созвездии Волосы Вероники, находящееся от нас на расстоянии около 140 Мпк (довольно близкое скопление).

По размеру оно напоминает скопление в Деве. В каталоги занесено более 1500 галактик, но на самом деле их, наверное, больше (просто слабые галактики не видны на таком расстоянии). Скоплениям в Деве и в Волосах Вероники посвящено так много работ, выполненных астрономами разных стран, что эти скопления во многом стали эталоном при изучении других скоплений галактик.

Сделав следующий шаг по иерархической лестнице структур нашей Вселенной, мы окажемся в мире скоплений скоплений галактик. Подобно тому как существует наша Солнечная система, наша Галактика, наша Местная группа галактик, существует, оказывается, и наше скопление скоплений галактик. Оно даже «видно» на небе! Дело в том, что на небе есть два «млечных пути». Один из них известен всем – это Млечный Путь, видимая «с ребра» часть нашей собственной Галактики. Этот Млечный Путь доступен для наблюдений каждому, и изучение его в телескоп (или хотя бы в хороший бинокль) доставляет большое удовольствие любителям астрономии. Второй – это «млечный путь» галактик (он расположен почти перпендикулярно привычному нам Млечному Пути). Так вот, «млечный путь» галактик – это видимое «с ребра» наше Локальное скопление скоплений галактик, или, как его еще называют, Локальное сверхскопление. Размеры этой системы (около 60 Мпк) превосходят возможности воображения…

Скопление в созвездии Девы, о котором мы уже говорили, – ядро Локального сверхскопления. Определить точное число галактик, больших и карликовых, входящих в эту систему, едва ли возможно. Но достаточно обоснованные оценки существуют и, согласно некоторым из них, Локальное сверхскопление содержит около 20 тысяч галактик. Распределены галактики в нашем сверхскоплении неравномерно. В этом убеждает, в частности, факт существования Местной группы галактик и других аналогичных групп. Пространственной фигурой, дающей приближенное представление о форме Локального сверхскопления, считается эллипсоид (отношение осей 1:10).

Еще в начале XX века нам казалось вполне вероятным, что наша Галактика – это и есть «вся Вселенная». Когда определили размеры нашей Галактики и расстояние до «туманностей», которые оказались другими галактиками, стало ясно, что прежние представления о размерах Вселенной ушли в историю астрономии.

Локальное сверхскопление тоже первоначально казалось единственным. Даже сам факт существования Локального сверхскопления вплоть до семидесятых годов был предметом дискуссий. Убедительным доводом в пользу реальности Локального сверхскопления считается открытие концентрации галактик в плоскости, перпендикулярной главной плоскости нашей Галактики. Иными словами, было доказано, что галактики концентрируются к своему «млечному пути».

Наша Галактика скромно покоится на окраине Локального сверхскопления. Эти данные внегалактической астрономии можно трактовать как очередной удар по извечному стремлению человека вообразить себя в центре Вселенной. Сначала таким «центром» считали Землю, потом Солнце, затем Галактику.

Но и Локальное сверхскопление сейчас уже не отождествляется со всей охваченной наблюдениями частью Вселенной (Метагалактикой). Открыто несколько десятков других сверхскоплений галактик. Некоторые из них очень отличаются от Локального сверхскопления. Например, выявлено огромное сверхскопление, которое простирается от созвездия Персея до области небесной сферы, где расположены созвездия Пегас и Рыбы. Это не эллипсоид, а скорее пить с «бусинками» (каждая «бусинка» – скопление галактик!) длиной около 400 Мпк, то есть более миллиарда световых лет. Сверхскопления, по современным представлениям, венчают собой иерархию структур нашей Вселенной: во Вселенной не существует системы более высокого ранга, чем сверхскопления галактик, нет сверхскоплений сверхскоплений («сверхсверхскоплений»).

Среди пионеров открытия и исследования сверхскопления в Персее – Пегасе были эстонские астрономы (Я. Э. Эйнасто и его коллеги). В конце семидесятых годов они обнаружили, что сверхскопление, не ограничиваясь пределами созвездия Персея, простирается в направлении к Пегасу. Кроме того, они привели убедительные доводы в пользу существования ячеистой структуры Вселенной. Суть новой идеи в том, что скопления галактик не распределены хаотично, а сосредоточены вблизи границ огромных ячеек (размером порядка 100 Мпк). Внутри ячеек галактики не видны. Группе американских астрономов во главе с Д. Пиблсом удалось наглядно продемонстрировать ячеистую структуру Вселенной. Применив особый метод обработки на ЭВМ фотографии участков звездного неба, где были запечатлены объекты до 19-й звездной величины, они удалили звезды с изображения звездного неба и оставили только галактики.

Получилась двумерная картина распределения галактик на небесной сфере, действительно напоминающая множество ячеек. Изображения ячеистой структуры были получены и другими группами специалистов – в частности, в Институте прикладной математики АН СССР.

Постепенно представление о ячеистой структуре удалось «углубить» в буквальном смысле этого слова. Был сделан переход от двухмерной картины (проекция пространственного распределения галактик на небесную сферу) к трехмерной (истинное пространственное распределение га- лактик). Чтобы сделать такой шаг, пришлось определить (по красному смещению в спектрах) расстояния до большого числа галактик.

Для этой цели группа американских астрономов в начале восьмидесятых годов проделала такую работу: нашла расстояния до всех галактик ярче определенной звездной величины (17,3^m) в трех участках неба в созвездии Волопаса (площадь каждого участка – около полутора квадратных градусов). При таком «зондировании» во Вселенной были открыты огромные пустоты, практически лишенные галактик данной яркости. В результате представление о ячеистой структуре дополнилось представлением о наличии «черных областей» во Вселенной (не путать с черными дырами – релятивистскими объектами, возникающими преимущественно на финальной стадии эволюции звезд и галактик).

В 1986 году астрономы, работающие в Астрофизическом центре Гарвардского университета, опубликовали результаты исследования более 1000 галактик, принадлежащих скоплению галактик в созвездии Волосы Вероники. И здесь были довольно четко выявлены «черные области». Это свидетельствует о том, что модель пространственной структуры Вселенной, вероятнее всего, должна напоминать пемзу или пустые пчелиные соты. Объем ячеек таких «сотов» иногда превосходит 10⁶ Мпк!³

Мы давно знаем о пустотах, которые существуют в веществе благодаря большим расстояниям, разделяющим ядра его атомов. Теперь и в астрономической картине мира видное место приходится отводить гигантским пустотам. И надо сказать, что их открытие не было неожиданностью для теоретиков, разрабатывающих возможные сценарии образования крупномасштабной структуры Вселенной (в нашей стране наибольших успехов в этих разработках достигла научная школа академика Я. Б. Зельдовича).

Итак, за призрачным занавесом созвездий скрываются громадные сверхскопления галактик, отделенные друг от друга громадными «черными областями», где галактики практически отсутствуют. Необходимо еще добавить, что вся эта захватывающая воображение картина мироздания нестатична; наша Метагалактика расширяется, и это расширение деформирует структуру стенок ячеек. Наблюдения свидетельствуют, что Локальное сверхскопление и другие сверхскопления галактик нестационарны, они расширяются (растягиваются «мосты», состоящие из отдельных галактик и соединяющие сверхскопления; из стенок ячеек как бы вытягиваются галактики и т. д.).

Здесь можно было бы и поставить пока точку. Но одно обстоятельство заставляет сказать еще несколько слов. Дело в том, что нередко чтение научно-популярной литературы порождает у лю- бителей астрономии неверное представление о легкости, с которой создается научная картина мироздания. В результате в редакциях журналов («Наука и жизнь», «Земля и Вселенная» и др.) скапливаются объемистые сочинения, авторы которых «разрабатывают» новые «системы мира», «теории Вселенной» и т. д. Одна из причин таких легко рожденных «открытий», вероятно, в том, что их авторы мало осведомлены о том титаническом труде, результатом которого становятся настоящие открытия в области астрономии, астрофизики, внегалактической астрономии и космологии. Как правило, это труд не ученых-одиночек, а коллективов высококвалифицированных специалистов. Прогресс в области наблюдательной астрономии связан прежде всего с использованием крупнейших телескопов мира, снабженных принципиально новыми светоприемниками. Только таким способом удается осуществить необходимые глубокие обзоры участков неба. Обработка наблюдений ведется, как уже упоминалось, с помощью модельных расчетов на сверхкомпьютерах. Определение расстояний до небесных объектов требует скрупулезного измерения красных смещений, которые наблюдаются в спектрах далеких галактик вследствие расширения Метагалактики. Наконец, для того чтобы осмыслить полученные результаты, требуется разработка теории (например, теории образования крупномасштабной структуры Вселенной) с использованием самых современных достижений физики элементарных частиц и космологии. Таким образом, каждый шаг на пути познания тайн Вселенной сродни научному подвигу. И мы можем гордиться тем, что наши современники совершают их, умело используя в своей работе богатейший арсенал средств и методов, которые появились в эпоху научно-технического прогресса.