Космос. От Солнца до границ неизвестного - Стивен Бэттерсби

Наряду с грандиозным строительством в рамках своей звездной системы внеземные цивилизации могут не оставлять без внимания и фундаментальную науку. Инопланетные физики-ядерщики (если они, конечно, существуют), скорее всего, посмеиваются над нашим хваленым Большим адронным коллайдером, способным сталкивать частицы с энергиями до 13 тераэлектронвольт. «Большая» физика начинается с энергии, в миллионы миллиардов раз превосходящей энергию коллайдера. Такая энергия позволит объединить гравитацию с прочими фундаментальными силами природы. Мы можем и не увидеть внеземной ускоритель элементарных частиц для исследования таких энергий из-за его колоссальной величины: он может быть размером с галактику, испускающую обильное тепло и излучение.

Наиболее вероятными частицами, истекающими от этих больших галактических коллайдеров с размерами XXL, будут нейтрино – крошечные кусочки ядерной шрапнели, которые почти не взаимодействуют с нормальной материей. Тем не менее эти нейтрино в общей космической переписи были бы настолько редки, что сегодняшние детекторы вроде километрового Ледяного куба в Антарктиде не могли бы похвастаться обильным уловом таких частиц. Для этой цели нам нужна сеть обнаружения из миллиардов датчиков, расположенных в глубинах земных океанов. Инвестиции такого масштаба могут слегка превышать пределы возможностей любого миллиардера-филантропа.

Даже если вы не в городе, где увидеть звезды на небе практически невозможно из-за сильного искусственного освещения, то и за пределами городской черты вам не удастся полностью оценить грандиозность Млечного Пути. Наша Галактика предстанет перед вами в виде взъерошенной звездной полосы. То, что мы видим, – всего лишь слабое эхо истинного величия Галактики, которая насчитывает сотни миллиардов звезд, образующих спиральную структуру. По сравнению с некоторыми из них наше Солнце светит тускло, как свеча. Кроме звезд, Галактика может щегольнуть и красочными газовыми облаками, и чернильно-темными полосами пыли; чем ближе к центру, тем больше мы приближаемся к неистовым звездам с феерическим рентгеновским излучением, выдающим присутствие монстра, дремлющего в самом сердце Галактики.

Сидя внутри Млечного Пути, мы за деревьями не видим леса. Межзвездная пыль душит большую часть Галактики и полностью закрывает от нас некоторые области. Но постепенно очертания гигантской географической карты нашей Галактики проступают из тумана, ведь в течение последних нескольких десятилетий астрономы кропотливо составляли карту нашего галактического острова.

Наиболее характерная особенность Млечного Пути – плотный диск из звезд, газа и пыли с поперечником примерно в 100 000 световых лет. Из центра диска выступают два бугра из звезд размером примерно 12 000 световых лет. Со стороны это напоминает яичницу-глазунью из двух лежащих рядом яиц. Эти яркие части Галактики окружены сферическим ореолом – гало, состоящим из старых звезд и более чем 150 шаровых скоплений. В общей сложности Млечный Путь содержит по крайней мере 250 миллиардов звезд, а по некоторым оценкам – до триллиона.

Такая картина начала вырисовываться в 1923 году, когда американский астроном Эдвин Хаббл впервые точно определил расстояния до звезд в далеком нечетком пятне света, называемом туманностью Андромеды. Его измерения показали, что туманность Андромеды по существу является изолированным космическим островом из звезд. По аналогии можно было предположить, что и наш Млечный Путь – также изолированный звездный остров в космосе.

Проведенные с тех пор наблюдения показали, что у нашей Галактики есть яркие спиральные рукава, состоящие из плотных сгущений звезд, навивающихся на центральный диск. Мы не можем выйти за пределы Млечного Пути, чтобы увидеть, как он будет выглядеть издалека, но, скорее всего, он напоминает гигантский крутящийся фейерверк. Такие большие спиральные галактики встречаются нечасто. Большинство галактик отличается небольшими размерами, они довольно тусклые и похожи на кляксы. Наша Галактика по сравнению с ними великолепна.

Однако наше представление о Вселенной остается фрагментарным. Само появление спиральной структуры для нас остается загадкой. Звезды двигаются вокруг центра Галактики по относительно круговым орбитам, а вовсе не по спиральным рукавам. Ученые полагают, что спиральную структуру создает возмущение, называемое волной плотности. Звезды и облака газа при своем движении периодически попадают в спиральные волны плотности, которые тянутся от центра галактики к краю диска, – подобно тому, как автомобили вливаются в более интенсивные потоки движения. Волны сжимают газ и запускают процесс образования многочисленных новых ярких звезд, которые и подсвечивают спиральную структуру. Однако неясно, откуда же появляются сами волны плотности.

Спиральный узор в нашей Галактике довольно трудно увидеть, поскольку он расположен к нам ребром и вдобавок скрыт плотным облаком пыли. Астрономы сделали все возможное, чтобы составить карту положений ярких звезд внутри спиральных рукавов, а радиотелескопы засекли сигналы от сжатых облаков водорода внутри них.

Таким образом удалось проследить четыре основных спиральных ветви: рукав Щита – Южного Креста, рукав Стрельца – Киля, рукав Персея и Внешний рукав. Между ними также есть несколько небольших дуг.

В конце 2003 года научный коллектив под руководством Наоми МакКлюр-Гриффитс в Австралийском национальном университете в Канберре (Австралия) сообщил об обнаружении еще одного фрагмента рукава. Используя 64-метровый радиотелескоп «Паркс» и массив из шести 22-метровых параболических антенн, ученые обнаружили арку длиной около 77 000 световых лет из плотного водорода, проходящую вдоль внешнего края Галактики. С Земли арка выглядит почти в 150 раз шире полной Луны и, вероятно, является частью Внешнего рукава Галактики.

В 2013 году создали трехмерную карту скоростей движения нескольких тысяч звезд и расстояний до них. Из этой карты следует, что Галактика совершает волнообразные движения. Мэри Уильямс и ее коллеги из Института астрофизики им. Лейбница в Потсдаме (Германия) изучили данные измерений радиальных скоростей (Radial Velocity Experiment, RAVE) почти для полумиллиона звезд на расстояниях до 6500 световых лет во всех направлениях. В основном изучались звезды из так называемого красного сгущения на диаграмме Герцшпрунга – Расселла, у которых примерно одинаковая яркость, и поэтому их легче сравнивать при расчете их относительных скоростей и расстояний до нас. Ученые проанализировали данные RAVE о горизонтальных движениях звезд и данные об их движениях в перпендикулярном направлении.

Рис. 8.1. Млечный Путь. Наша Галактика глазами художника (вид сверху).

Они обнаружили, что звезды, располагающиеся ближе к центру Галактики, образуют утолщения, выступающие наружу из плоскости в обоих направлениях; более далекие от центра звезды, напротив, образуют структуру, «сплющенную» внутрь. Движения отдельных звезд в этих зонах хаотичны, некоторые из них передвигаются в разных направлениях. Но если бы мы могли видеть общую картину снаружи, наша часть галактического диска напоминала бы флаг, колышущийся на ветру.