Отдельная тема — нейтринная астрономия. Нейтрино — частица, предсказанная в 1930 году Вольфгангом Паули, — обладает чрезвычайно неприятным, с точки зрения наблюдателя, свойством: она практически не взаимодействует с материей. В одну секунду через каждый квадратный сантиметр поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, проходит порядка 6о млрд нейтрино, чего мы совершенно не замечаем. К счастью, выражение «практически не взаимодействует» означает, что иногда, крайне редко, взаимодействие нейтрино с веществом все же происходит и его можно зафиксировать. Обычный нейтринный телескоп (который правильнее назвать нейтринным Детектором) представляет собой бассейн с дистиллированной водой объемом в сотни или даже тысячи кубометров, расположенный глубоко под землей для экранирования от наземных помех и космических частиц иной природы. Каждое взаимо- Деиствие нейтрино с электроном, входящим в молекулу воды,
35
или с ядром дейтерия (для тяжелой воды) сопровождается вспышкой черенковского излучения, фиксируемой многочисленными датчиками. Например, в 1987 году во время вспышки Сверхновой звезды в Большом Магеллановом Облаке детектор LSD зафиксировал 5 событий взаимодействия нейтрино с веществом, детектор «Камиоканде» — и событий и детектор IMB — 8 событий.
Важно понять: исследования, проводимые в различных диапазонах длин электромагнитных волн, не копируют, а дополняют друг друга. И здесь как нельзя уместнее вновь вспомнить притчу
о слоне и пяти слепцах. Ведь если каждый из них поверит словам другого (а по необходимости и проверит их лично), то объект «слон» уже не будет напоминать им ни веревку, ни колонну, ни стену, а сложится во что-то слоноподобное...
Завершая наш по необходимости краткий обзор, мы обязаны рассказать о совершенно новой области наблюдательной астрономии — обнаружении гравитационных волн. Согласно Общей теории относительности (ОТО), гравитационные волны должны свободно распространяться в пространстве, подобно электромагнитному излучению. В сущности, любой движущийся предмет испускает гравитационные волны — ничтожно слабые для земных объектов, более сильные, хотя все равно недоступные наблюдениям для системы «звезда — планета» или «звезда — звезда» и резкие всплески в случае слияния компактных объектов звездной массы, например нейтронных звезд и черных дыр. Существование гравитационных волн удалось подтвердить экспериментально, хотя и косвенным путем — по медленному уменьшению периода взаимного обращения двойных нейтронных звезд. В данном случае уменьшение кинетической энергии системы можно объяснить только излучением гравитационных волн.
Согласно ОТО, есть взаимосвязь между действием гравитационного поля и изменением кривизны пространства-времени. Следовательно, при прохождении гравитационной волны будут меняться (пусть и на ничтожно малую величину) линейные раз
36
— Чем и как изучают Вселенную —
меры протяженных тел. Проекты гравитационных телескопов представляют собой просто-напросто отрезки (обычно взаимно перпендикулярные), длина которых измеряется с высокой точностью при помощи лазерной интерферометрии. К сожалению, чувствительность аппаратуры пока недостаточна для уверенного обнаружения гравитационных волн. Или, может быть, нам просто не везет — ведь события типа слияния черных дыр происходят поблизости от нас нечасто...
Рассказав немного об астрономах и их инструментарии, мы теперь перейдем к главной и наверняка наиболее интересной теме книги — Вселенной во всем ее удивительном разнообразии.
Тем читателям, кому знакомо преобразование Фурье, незачем объяснять, что такое спектр (например, радиотехнического сигнала). Но если вы не имеете высшего технического образования, то уж во всяком случае наверняка слышали о солнечном спектре, весьма красочно проявляющемся в радуге или в более редких солнечных или лунных гало. Зрелище увлекательное, что и говорить. Однако мало кто из далеких от астрономии людей способен представить себе, какую революцию в астрономии произвела спектроскопия и какие данные о Вселенной удалось получить с ее помощью!
Однажды сэр Исаак Ньютон приобрел у шлифовщика линз ненужную тому безделушку — треугольную призму. У себя дома великий англичанин пустил луч света из маленького отверстия, проделанного в оконном ставне, сквозь призму и убедился: солнечный свет, кажущийся нам белым или желтоватым, на деле содержит в себе семь основных цветов, плавно переходящих друг в друга, а призма просто-напросто отклоняет лучи соответствующих цветов на различные углы. Теперь Ньютону стал понятен хроматизм телескопов-рефракторов: источник его находится не в стекле, а в преломляемом стеклом свете!
В начале XIX века молодой мастер-оптик Йозеф фон Фраунгофер изготовил спектроскоп, с помощью которого заметил, что в солнечном спектре помимо семи основных цветов присутствуют таинственные темные линии. Таковых линий Фраунгофер насчитал 574. Сжигая или прокаливая в пламени различные химические элементы, Фраунгофер заметил, что разным элементам соответствуют разные темные линии спектра. Не было ничего естественнее, чем объяснить соответствующие темные линии солнечного спектра присутствием на Солнце соответствующих химических элементов.
Кстати, второй по распространенности во Вселенной элемент назван гелием (солнечным) как раз из-за того, что впервые он
38
— Чем и как изучают Вселенную — был обнаружен на Солнце — разумеется, спектроскопическим
методом.
В дальнейшем ученые принялись за спектрографию планет, комет и все более слабых звезд и туманностей — это было лишь вопросом чувствительности аппаратуры. Спектры стали фотографировать и калибровать. Оказалось, что все темные линии обычно бывают сдвинуты либо в красную, либо в фиолетовую сторону. Объяснение пришло с открытием эффекта Доплера — увеличение длины волны излучения при удалении объекта от наблюдателя (красное смещение) и уменьшение длины волны при приближении объекта к наблюдателю (фиолетовое смещение). Таким образом, стало возможно точно определять скорость небесного объекта относительно Земли — точнее, радиальную составляющую вектора скорости, но и это уже много. К примеру, оценка расстояния до самых удаленных галактик производится только по их красному смещению и связи между ним и расстоянием до галактики, ибо более надежных методов пока не существует...
Но как поведут себя темные линии спектра, если объект — допустим, звезда — не просто летит куда-то, но еще и вращается вокруг своей оси? В этом случае часть объекта будет приближаться к нам, что вызовет фиолетовое смещение, а другая часть — удаляться от нас, из-за чего смещение будут красным. В сумме это приведет к размытию спектральных линий, и по степени размытия можно будет судить о скорости вращения объекта. Именно так измеряются, например, скорости вращения звезд. В наше время все это для астрономов более чем тривиально, на уровне студенческих лабораторных работ.
Итак, химический состав (включая ионы и изотопы) космических объектов и среды, радиальная скорость, скорость вращения... что еще?
Еще природа излучения. Распределение его спектральной плотности по диапазону частот покажет нам, имеем ли мы дело с Шиловым излучением или с каким-нибудь иным. Например, излучение расширяющихся оболочек Сверхновых звезд (типа
39
Крабовидной туманности) преимущественно не тепловое, а син- хротронное, вызванное движением заряженных релятивистских частиц в магнитном поле. Радиоспектр Крабовидной туманности показывает это как нельзя лучше. Имеются и другие источни- ки нетеплового излучения, скажем, космические мазеры, легко идентифицируемые опять-таки по спектрам.
И еще простой пример. Допустим, звезда или группа звезд погружена в светлую туманность. Как узнать природу светимости этой туманности? Является ли ее свечение результатом возбуждения атомов или же наблюдается простое отражение туманностью света звезд? Такая ситуация имеет место в Плеядах. Умозрительно было понятно, что ярчайшие звезды Плеяд недостаточно горячи для первого предположения, но известно, сколь часто умозрительные предположения приводят к ошибкам. Зато спектр туманности раскрыл ее природу «на раз» — он оказался звездным, конечно, с наложением линий поглощения, определяемым туманностью. Вывод: это не эмиссионная, а чисто отражательная туманность, да еще не имеющая с Плеядами ничего общего, кроме того, что туманность и скопление случайно встретились в пространстве.
Можно привести еще много примеров чрезвычайной полезности спектральных исследований, но лучше мы перейдем от описаний инструментария к астрономической конкретике.
ЧАСТЬ II
БЛИЖАЙШИЕ
ОКРЕСТНОСТИ
Нравится это нам или нет, но мы живем среди отходов — отходов «производства» звезд и даже сами из них состоим. По современным представлениям, наше Солнце — весьма типичная звезда — образовалось чуть менее 5 млрд лет назад из газопылевой материи. Сжатие исходного протозвездного облака под действием собственной гравитации не было равномерным — центральные области газово-пылевого сгустка сжимались быстрее периферии. Когда в центре сгустка загорелась протозвезда, давление света сначала уравняло силу тяготения для падающей материи, а затем начало выталкивать периферийные газ и пыль, которым «не повезло» попасть в звезду. Под действием выталкивающей силы легкие элементы мигрировали дальше от Солнца и образовали газовые планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, а также великое множество преимущественно ледяных тел; тяжелые же элементы остались во внутренних областях Солнечной системы и после ряда драматических коллизий слиплись в планеты земной группы: Меркурий, Венеру, Землю, Марс и Главный пояс астероидов. К началу формирования планет остатки газово-пылевого сгустка превратились вследствие вращения в протопланетный диск. Именно поэтому орбиты планет лежат более или менее в одной плоскости.
Вот так — в упрощенном до предела изложении, пока нам достаточно и такого — выглядит сценарий рождения Солнечной системы. Но хоть наш обыденный мир состоит из отходов звездообразования, это весьма ценные отходы! Кроме того, Земле повезло в одном очень существенном отношении — условия на ее поверхности были столь благоприятны для возникновения белковой жизни, что жизнь не замедлила появиться уже в первые 600-700 млн лет существования Земли как космического тела. Во всяком случае, древнейшие горные породы с измененным изотопным соотношением углерода, что однозначно ука