Тени звезд

Об авторе

Георгий Александрович Гончаров, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Главной астрономической обсерватории РАН (Пулково). Область научных интересов - астрометрия (определение положения и движения звезд в пространстве), поиск невидимых массивных объектов в звездных системах.

Введение

Глядя в ясное ночное небо, мы видим звезды. Многие небесные "туманности", если смотреть на них в телескоп, также оказываются группами звезд. Таков, например, Млечный Путь - наша Галактика, включающая сотни миллиардов звезд. До недавнего времени считалось, что в звездах сосредоточено почти все вещество Вселенной. В Солнечной системе, например, масса центральной звезды, Солнца, намного превосходит суммарную массу других тел: планет, астероидов, комет, пылинок, льдинок. В середине XX в. казалось, что мы понимаем строение Вселенной: множество галактик, состоящих из звезд, с планетными системами вокруг некоторых из них - и всей этой иерархией правит сила всемирного тяготения, или гравитация. Даже считавшиеся редкими двойные звезды, планеты, газовые и пылевые облака должны подчиняться этой великой силе. Но изучая распределение и движение звезд в окрестностях Солнечной системы и во всей Галактике, ученые открывали один неожиданный факт за другим.

Невидимое вещество

В Солнечной системе действует правило: чем ближе планета к Солнцу, тем быстрее она вращается вокруг него. То же самое правило должно действовать и в Галактике: звезды, близкие к центру Галактики, должны вращаться вокруг него гораздо быстрее звезд, находящихся на периферии. Однако на самом краю Галактики звезды движутся так же быстро, как и близкие к центру. Это не соответствует законам Кеплера, механике Ньютона и в конечном счете закону всемирного тяготения. Чем пристальнее ученые следили за движением звезд, тем более странным оно выглядело. Группы звезд, которые должны разлетаться в разные стороны, как выяснилось, держатся вместе миллиарды лет. Некоторые звезды меняли направление своего движения в космосе без видимых причин, как куклы-марионетки, будто они перестали подчиняться силе тяготения. Кто-то невидимый оказался настоящим хозяином Вселенной, словно у звезд, источников света, появились тени. Прояснялась одна удивительная истина: свет и масса не обязательно сопутствуют друг другу. Во Вселенной много и ярких объектов малой массы, и слабо светящих массивных тел.

Самым наглядным примером слабо светящих небесных тел служат планеты Солнечной системы, которые лишь отражают солнечный свет. Уран, Нептун и Плутон долгое время даже оставались невидимыми и неизвестными на Земле. Собственно, без телескопа они остаются невидимыми и сегодня, хотя мы видим на небе невооруженным глазом тысячи гораздо более далеких светил - звезд. Часто мы говорим "невидимый" объект, но подразумеваем "пока невидимый", "слишком слабо светящий". Астрономы создают и используют все более крупные телескопы для того, чтобы увидеть такие объекты. Но надо знать, где искать их на небе и как они выглядят. Многие небесные тела практически не видны в обычном свете, но проявляются в других диапазонах электромагнитного излучения: радио, инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском, гамма (правда, в нашей Галактике среди всех излучений преобладает видимый свет). Однако есть массивные тела, которые светят слабо во всех диапазонах.

Мы видим источники излучения. Нашему взгляду и приборам доступна светящаяся, излучающая Вселенная, но если бы мы регистрировали распределение массы, Вселенная выглядела бы совсем иначе. И ученые стремятся увидеть эту "Вселенную масс", "Вселенную вещества", вместо привычной для нас "Вселенной света", "Вселенной излучений". Зачем?
- Во-первых, только так можно понять и предсказать движение тел в окрестностях Солнца, в Галактике, во Вселенной и даже предсказать некоторые космические источники опасности для Земли;
- во-вторых, по современным данным, основная часть вещества Галактики и Вселенной еще невидима (т.е. светит очень слабо), и астрономия, физика, химия далеки от всеобъемлющего описания мира, пока мы не изучим невидимое вещество; ведь науки о рождении, развитии и основных законах Вселенной - космогония и космология - опираются на данные о распределении и движении вещества во Вселенной;
- в-третьих, многие вещества и физические явления, открытые в XX в. и уже ставшие привычными, были предсказаны или обнаружены при исследовании далеких объектов космоса (именно телескоп - прибор, давший больше всего открытий в нашем веке!);
- в-четвертых, возможно, среди невидимых тел космоса будут открыты неизвестные ныне классы тел, еще более удивительные, чем знаменитые черные дыры и
- в-пятых, улучшая методы исследований, мы можем обнаруживать все менее массивные невидимые тела, в том числе планеты типа Юпитера и, наконец, планеты типа Земли, а это уже прямые поиски Жизни и Разума во Вселенной.

Каковы эти невидимые объекты?

Свет и масса

Среди слабо светящих массивных тел первыми были открыты белые карлики - звезды с массой, как у Солнца, но размером с Землю. Плотность таких звезд огромна: горошина их вещества весит тонну! Вообще, как правило, массивные темные тела имеют большую плотность и малую площадь поверхности (и, следовательно, малую яркость). Другой класс массивных слабо светящих тел - нейтронные звезды (пульсары). Их размеры - десятки километров, а плотность такова, что горошина вещества весит сто миллионов тонн!

Черные дыры - самые "скрытные" объекты - единственные абсолютно невидимые. Внутри обычной или нейтронной звезды силе тяготения между частицами, стремящейся сжать звезду, противостоит давление вещества, распирающее звезду, и устанавливается равновесие этих сил. Если сила тяготения побеждает, звезда сжимается неограниченно, и образуется черная дыра - массивный, но совершенно невидимый объект: излучение не может покинуть его поверхность. Но даже черные дыры проявляются благодаря их массе и соответствующей силе тяготения, действующей на другие тела и изменяющей их движение¹. Белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры - это этапы эволюции звезд, когда-то эти объекты были обычными звездами и светили ярко. Но, оказывается, во Вселенной много объектов, более или менее темных с самого рождения.

В Солнечной системе между орбитами Марса и Юпитера есть пояс астероидов (малых планет) - каменных и железных тел неправильной формы с размерами до 1000 км. Сейчас известны десятки тысяч астероидов. Каждый из них движется по своей орбите вокруг Солнца. Наиболее правдоподобное объяснение их образования - гипотеза о том, что несколько миллиардов лет назад при рождении Солнца и планет Солнечной системы из межзвездного газо-пылевого облака сформировались и астероиды, но затем они не смогли собраться в большую планету, подобную Земле. В последние годы все больше темных тел, аналогичных астероидам, открывается на самом краю Солнечной системы, в так называемом поясе Койпера. Может быть, такие тела насыщают собой межзвездное пространство и даже составляют основную часть массы Галактики.

В самом деле, звезды и планеты возникают из массивных газо-пылевых облаков. В одном облаке образуется сразу целая группа звезд, которые еще много миллионов лет составляют рассеянное звездное скопление, причем масса "сырьевого" облака намного превосходит массу "конечного продукта" - звездной группы. Логично предположить, что при этом возникает немало и мелких "отходов производства" - темных тел, масса каждого из которых недостаточна для его превращения в яркую звезду, но суммарная масса может быть даже больше, чем масса звезды. Такие тела остаются невидимыми на периферии звездных групп и планетных систем.

Вполне возможно, что во Вселенной действует закон: чем меньше масса тела, тем больше таких тел существует. По крайней мере это верно для звезд: звезд-карликов с малой массой гораздо больше, чем массивных звезд-гигантов. Самые маломассивные звезды, можно сказать, греют, но не светят: они излучают в основном в инфракрасном (тепловом) диапазоне, имеют темно-красный цвет, не слишком горячую поверхность. Термоядерные реакции - важный признак звезды - идут в них местами и эпизодически. Такие звезды названы коричневыми карликами. Современные телескопы способны увидеть только несколько этих карликов в ближайших окрестностях Солнца, не дальше. Но с точки зрения современной теории их должно быть очень много! Видимо, они заполняют массивные короны галактик и играют важную роль в динамике Вселенной.

Слабо светящие и невидимые объекты изучаются специальными методами. Например, черная дыра становится заметной, когда газ близлежащих звезд медленно падает в нее по гигантской светящейся спирали. Нейтронные звезды часто являются источниками мощных радиоимпульсов, принимаемых на Земле.

Назад | Вперед