Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

Природу исходного удивления понять не так уж сложно. Астрономические объекты, способные изменять свое состояние в целом за 1 секунду,- явление, по крайней мере, странное. Они должны иметь очень малые размеры и, с этой точки зрения, похожи на какие-то искусственные сооружения. Единственный выход - считать, что объект со светимостью звездного уровня и малым радиусом (порядка 10 км) представляет собой настоящую нейтронную звезду.

Сначала думали, что всплески излучения действительно обусловлены пульсацией нейтронной звезды. Теория позволяла объяснить такой моделью периоды до 1 - 2 секунд, но в том же Крабе пульсар PSR0531 + 21 продемонстрировал период 0,033 с, что потребовало совершенно новых идей по поводу механизма излучения.

Пульсар представляет собой быстро вращающуюся нейтронную звезду с чрезвычайно сильным (до 1012 Гаусс) магнитным полем. Излучение концентрируется вблизи магнитных полюсов, которые и носятся вокруг оси вращения с определенным периодом. Можно сказать, что с наблюдаемыми пульсарами нам повезло - эти импульсные маяки удачно сориентированы относительно Солнечной системы.

МОДЕЛЬ ПУЛЬСАРА

Очень интересной особенностью новых объектов оказалась их довольно быстрая эволюция. Видимо, периоды всех пульсаров возрастают - энергия вращения понемногу теряется. Самые молодые пульсары вращаются быстрее, и темп потери угловой скорости у них несколько выше. Пример тому - самый быстрый пульсар PSR 0531+21, который увеличивает период на 36,5 наносекунд в сутки*. Вероятно, теоретически возможный период обращения не может быть меньше 0,001 с. Если считать, что рост начинается именно от этой величины, то с учетом более высокого начального темпа следует признать возраст этого пульсара порядка 1000 лет. Это хорошо согласуется с датой вспышки Сверхновой в Крабе в 1054 году.

*Осенью 1982 года был обнаружен пульсар 1937 + 215 в созвездии Лисичка с периодом Т = 1,56. 10-3 с, т. е. вращающийся в двадцать с лишним раз быстрее пульсара в Крабе.

Более сложные явления отмечены для пульсаров, входящих в состав двойных систем с обычными звездами. Гравитационное поле нейтронной звезды начинает как бы отсасывать плазму из атмосферы своей соседки. Первоначально мощное магнитовращательное излучение отбрасывает эту плазму, и пульсар дополнительно теряет угловой момент. Эта стадия эволюции называется "пропеллером" - увеличение периода здесь происходит быстрее, чем в случае одинокого пульсара. Но с увеличением периода падает и мощность магнитного маяка. Наконец, начинается процесс аккреции - плазма захватывается пульсаром и передает ему свой угловой момент. Теперь рост периода должен прекратиться - согласно теории возникает своеобразная компенсация, и вращение происходит более или менее равномерно.

Это так называемая стадия рентгеновского пульсара, характерная мощным рентгеновским излучением аккрецирующей плазмы (светимость порядка 1030-1031 Вт!). Источники такого типа действительно обнаружены, но все они имеют уже уменьшающийся период - струя вещества с соседней звезды как бы ускоряет пульсар. Это указывает на новое замечательное качество нейтронных звезд видимо, они служат превосходным индикатором эволюции соседей по двойной системе.

Но сюрпризы, связанные с нейтронными звездами, не ограничились пульсарами. Через 8 лет после их открытия один из советских спутников серии "Космос" зарегистрировал очень мощные и нерегулярные вспышки рентгеновского излучения. Более подробные исследования показали, что некие объекты нашей Галактики, расположенные ближе к ее центру, дают пиковую мощность излучения более 1031 Ватт, причем интервалы между вспышками довольно различны - от нескольких часов до целых месяцев. Так на астрофизической арене появились барстеры (от англ, burst - вспышка, быстрый взрыв) - нейтронные звезды, входящие в тесную двойную систему.

СХЕМА АККРЕЦИИ В ТЕСНОЙ ДВОЙНОЙ СИСТЕМЕ ОБЫЧНОЙ И КОМПАКТНОЙ ЗВЕЗДЫ (В

ЧАСТНОСТИ, АККРЕЦИИ НА ПУЛЬСАР ИЛИ ЧЕРНУЮ ДЫРУ)

В отличие от пульсаров, они лишены мощного магнитного поля, которое как бы засасывает заряженные частицы к магнитным полюсам. Поэтому аккрецирующая водородно-гелиевая плазма от соседней звезды более или менее равномерно устремляется к барстеру, формируя на его поверхности гигантский термоядерный котел. Падающее вещество разгоняется в поле тяготения барстера до околосветовых скоростей. За счет перехода кинетической энергии этого вещества в тепловую форму и выгорания водорода поджигается термоядерная реакция синтеза гелия в углерод. Именно гелиевый синтез и обеспечивает грандиозные вспышки. В одной вспышке барстера полностью выгорает примерно метровый слой спрессованного до 1 тонны в куб. сантиметре гелия, слой, окутывающий нейтронную звезду радиусом порядка 10 км. Нетрудно оценить, что масса такого слоя порядка 1021 г, и при обычном энерговыделении гелия (1011 Дж/г) энергия вспышки должна доходить до 1032 Дж!

Чтобы обеспечить приток необходимого вещества, звезда-соседка должна отдавать барстеру свое вещество в темпе 1017 г/с - одну земную массу за 2000 лет. Это обеспечивает полное восстановление гелиевого слоя в среднем за 104 с, но сокращает время жизни звезды-соседки. Если масса последней порядка солнечной, то все ее вещество израсходуется на вспышки барстера примерно за полмиллиарда лет. Так барстеры оказались не только превосходным образом открытого для обозрения "термоядерного ада" - того, который, по недавним понятиям, должен был прятаться глубоко в звездных недрах, но и кандидатами на роль активнейших "звездных вампиров".

На этом не исчерпывается обнаруженная в 60-е годы и позднее звездная экзотика. О самой интересной из них - черных дырах - мы поговорим во II части. Там же удастся обсудить и общую картину звездной эволюции, где обычные и экзотические звезды обретают свои естественные места.

ОТКРЫТИЕ ГАЛАКТИКИ

Шаги по открытию Галактики* и Солнечной системы в чем-то очень схожи. Млечный Путь, один из первых ориентиров на звездном небе, выделялся с древнейших времен. Однако его астрономическая интерпретация возникла сравнительно поздно. Лишь систематический интерес астрономов к звездам на рубеже 18-19 веков позволил нащупать некоторые закономерности в группировке далеких светил. Появилась своеобразная гелиоцентрическая модель Гершеля-Каптейна, где Солнце считалось случайным центром огромного звездного скопления. При всем том Галактику еще не рассматривали как особый структурный элемент Вселенной.

* Галактика, которой принадлежит Солнце, пишется с большой буквы - в отличие от остальных галактик.

Джон Гершель впервые и не слишком настойчиво высказал идею, что Магеллановы Облака, наблюдаемые в южном полушарии, представляют собой отдельные очень далекие звездные системы вроде Млечного Пути, но его гипотеза не произвела особого впечатления.

Прорыв наметился внезапно в связи с исследованием объектов, которые долгое время не привлекали внимания,- переменных звезд. В древности их как бы и не замечали, во всяком случае, неизвестны исследования даже тех переменных звезд, чей период нетрудно определить невооруженным глазом. Первый шаг в этой области сделал в 1596 году немецкий астроном Давид Фабрициус (1564-1617), описавший переменную Миру Кита. Устойчивый интерес к переменным возник лишь в период открытия двойных звезд.

Переменные звезды демонстрируют весьма различное поведение. Некоторые из них очень резко меняют блеск. В этом случае разумно считать, что мы имеем дело с планетообразной системой двух звезд, одна из которых периодически затмевает другую. Это так называемые затменные переменные звезды. Но существует и иная ситуация, когда блеск звезды меняется плавно, и такое изменение нельзя объяснить прохождением какого-либо тела через луч зрения. Остается единственный вариант - предположить, что из-за каких-то физических процессов меняется сама светимость звезды, то есть количество энергии, которое она излучает. Среди таких звезд, в свою очередь, выделяются две подгруппы - долгопериодические и короткопериодические. Так называемые цефеиды с периодом от нескольких суток до нескольких десятков суток и особым характером колебаний (похожим на колебания Дельты Цефея) привлекли внимание американского астронома из Гарвардской обсерватории Генриетты Суан Ливитт (1868-1921). В 1908 году, изучая фотографии Малого Магелланова Облака, полученные в Перуанском филиале, Ливитт обнаружила довольно четкую зависимость между яркостью цефеид и их периодом - чем ярче звезда, тем больше период колебаний блеска. Это обстоятельство окончательно выяснилось к 1912 году, и именно оно открыло путь к определению размеров Галактики и межгалактических расстояний. Поэтому цефеиды справедливо стали называть маяками космоса.

Удачный выбор объекта исследований - ведь расстояния между самими цефеидами заведомо много меньше расстояния до Малого Магелланова Облака позволил выделить закономерность "яркость-период" в чистом виде, и теперь можно было использовать эту закономерность для изучения других элементов звездного неба.

Этим и воспользовался работавший тогда на 60-дюймовом рефракторе обсерватории Маунт-Вилсон американский астроном Харлоу Шепли (1885- 1972). Диссертация по затменным звездам, написанная им в начале научной карьеры, позволила ему сопоставить свои результаты с данными по цефеидам и доказать, что последние являются пульсирующими звездами. В 1915 -1917 годах Шепли исследовал цефеиды в 69 звездных скоплениях и попытался определить расстояния до них. Тут-то и пригодились результаты Ливитт. Измерив периоды цефеид, Шепли вычислил их относительную светимость и далее, сопоставляя вычисленные светимости с наблюдаемой яркостью, нашел пропорцию в расстояниях до шаровых скоплений. Сразу же нашлось объяснение загадочной концентрации шаровых скоплений в направлении созвездия Стрельца, обнаруженной еще Вильямом Гершелем. Оказалось, что эти скопления образуют огромный сферический хоровод вокруг некоторого общего центра тяжести. Усредняя результаты допплеровских измерений по движению цефеид, Шепли определил абсолютные расстояния до шаровых скоплений. Картина нашего положения во Вселенной резко изменилась.

К 1919 году Шепли окончательно понял, что сферический хоровод шаровых скоплений позволяет определить истинный центр Млечного Пути, который расположен в десятках тысяч световых лет от Солнца. Наше светило оказалось весьма заурядной периферической звездой, лишившись места в центре мира подобно тому, как это произошло с Землей в коперниковские времена. Гелиоцентрическая модель Гершеля - Каптейна навсегда ушла в историю.

К сожалению, Шепли, правильно определивший форму Галактики, переоценил ее размеры и пришел к выводу, что спиральные туманности тоже являются ее элементами. Из-за этого Галактика еще некоторое время - совсем недолго играла роль особого элемента Вселенной.