Большое космическое путешествие - Дж. Ричард Готт

Мартен Шмидт, молодой профессор из Калифорнийского технологического института в Пасадене, осознавал: чтобы выяснить, что это за звезда, нужно измерить ее спектр. Он получил этот спектр при помощи пятиметрового телескопа в 1963 году, но, изучив данные, так и не понял, что перед ним.

Он видел серию очень широких эмиссионных линий, длины которых не соответствовали никаким известным атомам. Сначала он подумал, что это может быть какая-то крайне необычная карликовая звезда, но потом его осенило. Он понял, что перед ним – обычные эмиссионные линии водорода из серии Бальмера, образующие характерный узор, хорошо известный по изучению других звезд. Однако эти линии находились не в том волновом диапазоне, где положено, а были все как одна сдвинуты в красную область спектра на ошеломительные 16 % (рис. 16.1). Таким образом, длины волн у всех составляющих этого спектра были на 16 % больше, чем при бальмеровских переходах, наблюдаемых в лабораторных условиях на Земле.

Рис. 16.1. Спектр квазара 3C 273. В эмиссионном спектре наиболее заметны линии водорода из серии Бальмера, как показано на рисунке. В каждом случае проведена стрелка от значения длины волны в системе покоя к наблюдаемому значению длины волны. Во всех этих случаях фиксируется красное смещение на 15,8 %. Также в спектре присутствуют эмиссионные линии кислорода, гелия, железа и других элементов. Иллюстрация предоставлена: Майкл Стросс, по данным, полученным на «Нью Текнолоджи Телескоп» в Ла-Силья, Чили; M. Türler et al. 2006, Astronomy and Astrophysics 451: L1–L4, http://isdc.unige.ch/3c273/#emmi, http://casswww.ucsd.edu/archive/public/tutorial/images/3C273z.gif

Могло ли такое красное смещение быть связано с расширением Вселенной? Такое огромное красное смещение соответствует (исходя из современного значения постоянной Хаббла) расстоянию примерно в 2 миллиарда световых лет. На тот момент уже были известны некоторые галактики, обладавшие подобными большими значениями красного смещения, но они были невероятно тусклыми, рассматривать такие объекты можно было лишь на пределе возможности телескопов. Но 3C 273 был в несколько сотен раз ярче, чем такие тусклые и размытые галактики. Более того, он походил на звезду, то есть на яркую точку, и не был вытянут подобно галактике. Оставались две возможные интерпретации: (1) может быть, до этого объекта гораздо меньше 2 миллиардов световых лет – возможно, он находится даже в пределах нашей Галактики – и его красное смещение никак не связано с расширением Вселенной либо (2) этот объект обладает колоссальной светимостью. Согласно закону обратных квадратов, если объект 3C 273 действительно удален от нас на 2 миллиарда световых лет, то он может быть таким ярким, лишь если в сотни раз превосходит по светимости целую галактику с 1011 звезд!

Мартен Шмидт рассказал о своем открытии коллеге Джесси Гринстейну. Оказалось, что Гринстейн измерял спектр другого радиоисточника 3C 48; тогда Джесси сразу понял, что два этих объекта похожи, но красное смещение у 3C 48 было еще выше и составляло 0,37 (или 37 %). Шмидт рассудил, что в небе должно быть еще множество таких неизвестных объектов и самое время приняться за их поиски. Когда он и другие ученые стали открывать все новые звездоподобные радиоизлучающие объекты такого рода, с еще более значительными красными смещениями, для этих объектов потребовалось название. Сначала использовали термин «квазизвездный радиоисточник», но он был слишком громоздким, поэтому его вскоре сократили до слова «квазар». Хотя первые квазары были обнаружены по радиоизлучению, Алан Сендидж (прославившийся измерениями постоянной Хаббла) вскоре открыл аналогичные звездоподобные объекты с сильным красным смещением, которые не излучали радиоволн. На самом деле, большинство квазаров слабо излучают в радиочастотном диапазоне.

Рис. 16.2. Фриц Цвикки с каталогом галактик. Снимок предоставлен архивом Калтеха

Фриц Цвикки, о котором мы уже говорили в главе 12, работал в Калтехе вместе со Шмидтом и Гринстейном. Он был одним из самых ярких и эксцентричных деятелей астрономии XX века (рис. 16.2). Цвикки сделал ряд открытий, настолько опередивших свое время, что все остальное астрономическое сообщество «нагоняло» Цвикки десятилетиями. Как вы уже знаете, в 1933 году он первым логически вывел существование темной материи, обратив внимание на движение галактик в скоплениях. Идея о темной материи закрепилась в астрономическом сообществе только в 1970-е годы, когда Мортон Робертс, Вера Рубин и ее коллеги начали измерять вращение внешних областей галактик, а Джереми Р. Острайкер, Джим Пиблс и Амос Яхил, вооружившись аргументами об устойчивости, постепенно нашли в галактиках большие количества темной материи. Цвикки и его коллега Вальтер Бааде в 1934 году (верно!) предположили, что при взрывах сверхновых могут образовываться нейтронные звезды, – эта идея подтвердилась лишь 30 лет спустя, после открытия пульсаров. Именно Цвикки и Бааде придумали термин «сверхновая». Также Цвикки верно спрогнозировал (за целые десятилетия до экспериментального подтверждения), что эйнштейновский эффект искривления света, описанный в теории относительности, позволяет уподобить далекие галактики гравитационным линзам, «увеличивающим» еще более далекие галактики, расположенные за ними. И Цвикки заявил, что именно он первым открыл квазары.

Цвикки понимал, насколько он умен, и не стеснялся высказывать собственное мнение, если считал, что другие ошибаются. Не имея доступа к пятиметровому Паломарскому телескопу, Цвикки выполнял почти всю работу на миниатюрном исследовательском телескопе Паломарской обсерватории с диаметром зеркала всего 46 сантиметров и при помощи этого телескопа открывал сверхновые (за всю жизнь он нашел более 100 таких объектов), а еще каталогизировал галактики. Он заметил, что некоторые из зафиксированных им галактик были довольно компактными, на вид почти как звезды. Но поскольку он не мог работать с пятиметровым Паломарским телескопом, Цвикки был не в состоянии измерить спектры этих галактик и определить их физическую природу. Позже оказалось, что некоторые из замеченных им компактных галактик являются квазарами того же типа, какие впоследствии открывали Шмидт и Сендидж, поэтому Цвикки небезосновательно заявлял, что именно ему принадлежит честь этого открытия.

Аспиранты из Калтеха любили Цвикки – он устроил кабинет рядом с их помещениями на цокольном этаже в здании астрономического факультета в кампусе. Цвикки скончался в 1974 году; мой коллега Джим Ганн, который в 1960-е годы учился в аспирантуре Калтеха, и Рич Готт, который был там постдоком в 1973–1974 годы, с удовольствием вспоминают его.

Принципиальная догадка Цвикки была верной. В некоторых компактных галактиках имелись непонятные точечные источники света, обладавшие невероятной светимостью (квазары). Такой источник сиял из центра галактики и затмевал ее сравнительно тусклые окружающие области. Поэтому и сама галактика становилась похожей на точку, как звезда.