Гость «Сириуса» Олег Станиславович Угольников, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИКИ РАН, председатель Центральной предметно-методической комиссии по астрономии Всероссийской олимпиады школьников выступил с лекцией 13 июня. Он поведал о парадоксальных различиях звездных скоплений, навсегда прославившем себя астрономе, который не хотел путать кометы с галактиками, о том, как в китайских летописях отыскали взрыв сверхновой, и о том, что общего у тона свистка поезда с измерением межгалактических скоростей.
Французский астроном и две противоположности
Давным-давно французский астроном Шарль Мессье изучал кометы. В 1774 году он составил каталог из более 100 туманностей, галактик и скоплений, определив их расположение, чтобы не спутать эти неподвижные объекты с тем, что искал. Не мудрствуя лукаво и не желая тратить чересчур много времени на придумывание названий, Мессье присвоил белым неподвижным пятнышкам на небе номера, которым предшествовала «М» – первая буква его фамилии. Тогда он не мог даже догадываться, что его система просуществует много столетий и ляжет в основу межзвездной номенклатуры, когда возможности астрономии превзойдут самые смелые мечты естествоиспытателей того времени.
Со временем усовершенствованные телескопы позволили ученым «разбить» туманные облачка из Каталога Мессье на отдельные яркие точки, разглядев в них звезды. Многие из замеченных Мессье астрономических объектов оказались звездными скоплениями (Уильям Гершель когда-то назвал их «звездными кучами»), которые астрономы разделили на две группы: шаровые и рассеянные. Самое знаменитое из шаровых скоплений – скопление М13 в созвездии Геркулеса. В очень ясную ночь люди с хорошим зрением могут различить его невооруженным глазом.
В шаровом скоплении М13 (NGC 6205) около 300 000 звезд. Источник: HST LS/Giuseppe Donatiello
Рассеянные скопления очень молодые, в них меньше тысячи звезд. Как правило, все звезды в этих группах формируются из одного газопылевого облака и имеют одинаковый возраст. Они слабо держатся вместе гравитационными силами. Шаровые скопления, наоборот, очень старые, в них больше 500 000 звезд.
Но почему во Вселенной есть только эти две противоположности – и никаких промежуточных объектов? Ответ очень логичен: это связано с эволюцией звезд. Когда-то в галактике было много строительного материала, и там интенсивно образовывались большие звездные скопления. Потом материала было меньше, и сейчас они образуются совсем маленькие. Поэтому сейчас мы можем наблюдать только мелкие рассеянные скопления, которые образуются прямо сейчас, и самые старые, которые не рассыпались с тех пор. Чтобы не распасться за такое долгое время, им нужно было быть очень большими, чтобы гравитация удерживала их вместе. Поэтому скопления четко разделяются на две группы, которые совсем не пересекаются друг с другом, да еще и по-разному расположены.
Постичь себя, наблюдая за другими
Зная о группах звезд и об их месте на небе, мы можем понять, что из себя представляет Млечный Путь, хотя мы не можем посмотреть на него со стороны. В соседних спиральных галактиках старые шаровые скопления образуют структуру сферической формы в центре – поэтому и на нашем небе они концентрируются в созвездиях Скорпиона и Стрельца. В рукавах соседних галактик мы видим сгустки молодых ярких звезд – рассеянные скопления. Это объясняет их причудливое, с нашей точки зрения, расположение на небе: у Млечного Пути тоже есть спиральные ветви-рукава, где и зарождаются молодые скопления. Плеяды и другие близкие к нам скопления относятся к рукаву Ориона, скопления M8, M11 и M16 — к рукаву Стрельца, а M103 находится в рукаве Персея.
Гигантская галактика М87, окруженная ярким гало. Источник: NASA Blueshift/Flickr
Но есть совсем другие галактики. В созвездии Девы есть сверхгигантская эллиптическая галактика М87, масса которой оценивается в триллион масс Солнца. В ней нет спиральных ветвей и молодых звезд. По сути, это гигантское шаровое звездное скопление: очень давно оно образовалось из газового облака, которое было настолько велико, что силы гравитации не дали галактике распасться и позволили дожить до наших дней. В центре этой галактики найдена сверхмассивная черная дыра массой в 5 миллиардов Солнц – одна из самых больших открытых на данный момент.
А вот в скоплениях пыли и газа в соседствующем с нами Большом Магеллановом Облаке, названном в честь открывшего его во время путешествия Фернана Магеллана, наоборот, можно наблюдать все стадии детства, отрочества и юности звезд.
Туманные вопросы, звездная подсветка
Могло возникнуть ощущение, что все туманные «облачка» на звездном небе – это скопления, которые можно «разбить» на отдельные звезды, если посмотреть на них через телескоп. Но это не всегда так. Пример – объект М57 из созвездия Лиры. Он имел такую аккуратную круглую форму, что стал называться планетарной туманностью, хотя к планетам он отношения не имел. С годами телескопы становились все лучше, но при любом приближении туманность никак не желала распадаться на звезды. Тогда ученые прибегли к спектральному анализу: если в туманности есть разные звезды, их можно будет разделить по разным оттенкам излучаемого света. Однако спектр оказался совсем непохожим на звездный – зато напоминал спектр полярных сияний и газовых ламп. Это означало, что свечение туманности – это холодное свечение газа, а не звезд.
Современная фотография планетарной туманности М57. Источник: HST LS/Giuseppe Donatiell
Тот же спектральный анализ позволяет определять и скорость движения туманностей. Когда поезд несется на нас, мы слышим более высокий тон, чем когда он уехал далеко, даже если в реальности звук свистка всегда одинаковый. Это повседневная иллюстрация к эффекту Допплера, который позволяет измерить скорость движущихся галактик – но не по изменению частоты звука, а по изменению цвета. По смещению спектральных линий можно определить скорость галактик. Спектральный анализ показал, что такие туманности расширяются с большой скоростью – 10-20 км/с.
Что из себя представляют такие расширяющиеся облака газа, астрономы поняли лишь в XX веке. Оказывается, такие облака газа – результат взрыва звезды, относящейся к классу красных гигантов в конце их эволюции (подробнее об эволюции звезд рассказывается в конспекте недавней лекции Сергея Анатольевич Ламзина). Неупорядоченная структура Крабовидной туманности, вошедшей в каталог Мессье под номером 1, создает ощущение, что там что-то взорвалось. Спектральный анализ показал, что скорость ее расширения достигает 1500 километров в секунду. Из этого астрономы сделали вывод, что взрыв произошел совсем недавно.
.jpg)
M1, или Крабовидная туманность, находящаяся в созвездии Тельца. Источник: ESO/Wikimedia Commons
Разгадку удалось найти в китайских летописях XI века: оказалось, что на месте туманности когда-то ничего заметного не было, но 4 июня 1054 года там появилась необыкновенно яркая звезда, которая сияла так сильно, что была видна даже днем. Однако через 23 дня она исчезла. Таким образом, человечество стало свидетелем рождения этой туманности после взрыва сверхновой звезды. Правда, наблюдаем мы эту туманность такой, какой она была 6500 лет назад.
Туманность Бабочка – одна из самых красивых туманностей. Источник: NASA/ESA/Kevin M. Gill
В туманностях Бабочка и Лагуна, наоборот, есть совсем юные звезды, которые подсвечивают окружающие облака водорода, окрашивая их в красный цвет.
Расширяем кругозор
Но самая знаменитая туманность называется M31, или Туманность Андромеды. По ее современным фотографиям можно догадаться, что на самом деле это галактика. Но в ней долго не удавалось увидеть отдельных звезд, хотя ее спектр был определен как звездный еще в XIX веке.
Другие туманности, которые не удавалось классифицировать как газовые, тоже очень необычно располагались на небе. В созвездии Девы их много, в других созвездиях – поменьше, а в Млечном Пути их почти нет. В 1885 году прямо в Туманности Андромеды вспыхнула сверхновая звезда, такая, как та, что создала Крабовидную туманность. Наблюдения помогли понять, что на самом деле Туманность Андромеды – это свет очень большого количества звезд, расположенных очень далеко от нас. Но в это трудно было поверить. В довершение ко всему в 1912 году астрономы узнали, что Туманность Андромеды движется на нас со скоростью 300 км/с. Такие скорости не типичны для звезд в близлежащих скоплениях.
.jpg)
Туманность Андромеды. Источник: Adam Evans/Wikimedia Commons
В 1920-х годах Эдвин Хаббл с помощью нового телескопа смог выделить в ней различные звезды. Там он нашел и цефеиды – особые пульсирующие звезды, по которым астрономы могут определять расстояния до дальних объектов. Подсчеты Хаббла повергли его коллег в замешательство: выяснилось, что свет от Туманности Андромеды идет до нас 2 миллиона лет. Тогда эта цифра казалась просто огромной, но сейчас мы знаем о галактиках, удаленных от нас на миллиарды световых лет. Так доказательство существования других галактик расширило «горизонты» человечества, и теперь наша картина Вселенной в миллион раз больше, чем она была 150 лет назад.
Галактические карусели и кошки-мышки
Туманность Андромеды оказалась одной из самых близких к нам галактик, которая вместе с Млечным Путем, галактикой Треугольника (М33) и около 50 других более мелких галактик входит в Местную группу галактик, которые гравитация не просто держит вместе, а тянет друг к другу. Более того, ученые рассчитали, что Туманность Андромеды столкнется с Млечным Путем примерно через 4 миллиарда лет.
Мы можем судить о том, что с нами будет, наблюдая за похожими галактиками. Столкновения между ними – совсем не редкость. Яркий пример – галактики Мышки в созвездии Волосы Вероники на расстоянии 300 миллионов световых лет.
Галактики Мышки (NGC 4676) напоминают играющих мышат. Источник: Pxhere
Наблюдения издалека и компьютерные симуляции показали, что для отдельных звезд и планетных систем такие грандиозные коллизии проходят безболезненно: расстояние между ними слишком велико для того, чтобы с размаху врезаться друг в друга. М31 и Млечный Путь раскрутятся и сольются воедино, но отдельные небесные тела при этом не пострадают. Возможно, эта карусель вытолкнет некоторые звезды с дальних концов рукавов в межгалактическое пространство.
Но что случается с такими звездами? Отличается ли их одинокая жизнь от судьбы тех, которые окружены многочисленными соседями? Оказывается, если Солнце станет звездой-беглецом, оно заберет с собой все планеты. «Мы также будем ездить в Сочи, загорать на море. Единственное, что ярких звезд на небе станет меньше, и мы сможем увидеть Млечный Путь немного со стороны. – ответил лектор. – Но Солнцу это не грозит: оно находится не на самом краю Галактики, а в глубине ее рукава».
Ответив и на другие вопросы слушателей, ученый пригласил их понаблюдать за звездным небом. Теперь для детей на нем загорелось множество новых объектов.
