Попробуем набросать здесь, по неизбежности широкими мазками, очерк истории исследований, приведших к открытию Вселенной и созданию теории звезд. Эти великие достижения открыли новые горизонты и новые проблемы, о которых мы также вкратце расскажем.
Главный вопрос, волнующий нас при обращении к прошлому, состоит в том, может ли исследование путей познания утвердить нас в достоверности наших нынешних представлений о Вселенной. Кто владеет прошлым, тот может предсказать будущее. Обычно считается, что уже с конца XVIII века ученым людям каждого поколения было свойственно думать, что основы мироздания уже постигнуты, что остается лишь уточнить детали. Закон всемирного тяготения превосходно описывал движения планет и двойных звезд, и до XX века казалось, что законов ньютоновской механики достаточно для наблюдаемой картины мира. Это мнение приписывается обычно П. С. Лапласу, однако по существу он говорил лишь о перспективе обнять "в одной формуле движение величайших тел Вселенной наравне с движением легчайших атомов", что остается в известном смысле величайшей задачей и современного естествознания.
Успехи астрономии будущего, по словам Лапласа, зависели от трех условий: измерения времени, измерения углов и от совершенства оптических инструментов, причем "первые два в настоящее время не оставляют желать почти ничего лучшего". Ныне, два века спустя, устарело лишь первое условие — измерение времени перешло в ведение атомной и молекулярной физики и достигло предела точности, определяемого законами квантовой механики. В измерениях углов после почти двухвекового застоя применение интерференционных методов и выход в космос привели недавно к радикальному прогрессу, пределов которому не видно. Совершенствование оптических инструментов, на которое Лаплас возлагал особые надежды (ибо измерения углов и времени, как ему казалось, почти достигли предела возможного...), также ничем не ограничено. В конце XX века количество гигантских наземных телескопов с зеркалами, превышающими пять метров в диаметре, превысило дюжину и скоро достигнет двух десятков; разрабатывается проект 100-м телескопа. Лаплас не подозревал о возможности наблюдений в других диапазонах электромагнитного спектра, помимо оптического. Тем более не мог он помыслить о делающей ныне первые шаги нейтринной астрономии или о приемниках гравитационного излучения, которые заработают через пару лет.
Как открыли галактики
Измерение углового расстояния между небесными объектами и приходящего от них излучения — на все века единственное оружие астрономов. Доставленные на Луну, Венеру и Марс приборы выводят эти планеты из ведения астрономии, хотя получаемые при этом данные все равно регистрируются астрономическими методами — радиотелескопами.
С какими же наблюдательными средствами вступила астрономия в XX век? Крупнейшими инструментами были 40-дюймовый рефрактор Йеркской обсерватории и 36-дюймовый рефлектор Кросслея, работавший на Ликской обсерватории. В 1908 г. вступил в строй 60-дюймовый телескоп на Ма-унт-Вилсон. Эти два рефлектора с помощью фотографических пластинок фактически и открыли мир галактик, исследование которых явилось главной задачей астрономии XX века.
Конечно, видели их давно. Магеллановы Облака на южном небе, Туманность Андромеды на северном заметны и невооруженным глазом. Вильям Гер-шель в конце XVIII века составил каталог звездных скоплений и туманностей (большинство которых составляли именно далекие галактики), в котором было около 2500 объектов. К концу XIX века 13673 объекта было занесено в NGC — Новый генеральный каталог туманностей и звездных скоплений. В начале XX века Кросслеевский рефлектор зарегистрировал на фотографических пластинках около 120000 "слабых туманностей", но об их природе еще долго продолжались споры, начавшиеся в XVIII веке.
Сам Вильям Гершель считал, что слабые пятнышки света, видимые в его гигантские рефлекторы, могут быть далекими системами звезд, хотя некоторые туманности, по его мнению, могут быть истинными и состоять из диффузной светящейся материи.
Однако итоговое суждение XIX века оказалось другим. В книге о развитии астрономии в XIX веке Агнес Кларк писала: "Вопрос о том, являются ли туманности внешними галактиками, вряд ли заслуживает теперь обсуждения. Прогресс исследований ответил на него. Можно с уверенностью сказать, что ни один компетентный мыслитель перед лицом существующих фактов не будет утверждать, что хотя бы одна туманность может быть звездной системой, сравнимой по размерам с Млечным Путем".
В первые два десятилетия нашего века по-прежнему господствовало убеждение, что все видимые на небе звезды и туманности принадлежат к гигантской всеобъемлющей системе Млечного Пути, близ центра которой находится Солнце. Это была так называемая "Вселенная Каптейна", схема, за которую голландский астроном Я. Каптейн боролся до самой смерти в 1922 г.
Для решения вопроса о природе "слабых туманностей" было необходимо знать расстояние до них. Здесь могли помочь только фотометрические методы, но для их применения надо было знать светимость (абсолютную величину) каких-либо объектов, находящихся внутри этих туманностей, и сравнить ее с видимой величиной. Эту задачу впервые решил американский физик Ф. Вери в 1911 г. Сначала он оценил расстояние до Новой Персея 1901 г., сравнивая со скоростью света угловую скорость расширения туманности, возникшей после вспышки вокруг звезды. Он предполагал (совершенно справедливо), что расширение туманности — это не что иное, как распространение волны освещения межзвездной среды, окружающей Новую звезду, ее вспышкой. Затем Вери сравнил (определенную им из расстояния и видимой величины) светимость Новой Персея с видимой величиной Новой 1885 г., вспыхнувшей близ центра Туманности Андромеды, и оценил расстояние до туманности в 500 пс. Более слабые "белые" (в отличие от зеленоватых газовых) туманности, заключил Вери, лежат на расстояниях в миллионы парсек. Все правильно в этом рассуждении, кроме того, что Новая 1885 г. была на самом деле Сверхновой, ярче обычных Новых в десятки тысяч раз — и значит, расстояние до М31 не 500 пс, а в тысячи раз больше...
К 1920 г. в Туманности Андромеды стали известны три подлинные Новые звезды, и все они были на 10-12т слабее звезды 1885 года. Это различие было одним из аргументов X. Шеп-ли против внегалактической природы М31 и вообще слабых туманностей (тогда еще не были известны сверхновые звезды).
Он использовал его в так называемом "великом споре" с астрономом Ликской обсерватории Г. Кертисом, который первым понял, что вспышка 1885 г. в М31 — особый случай. Этот диспут организовала Национальная академия наук США в 1920 г. Наиболее важным аргументом Шепли было то, что сгущения в спиральных рукавах галактик обнаруживали, по данным А. ван Маанена, заметные собственные движения. Сравнение угловой и линейной (по лучевым скоростям) скоростей вращения спиральных туманностей давало расстояние; для туманности Треугольника (МЗЗ), например, оно получалось равным 2000 пс. Это расстояние помещало МЗЗ глубоко внутри системы Млечного Пути, размеры которого Шепли незадолго перед тем оценил в 100 000 пс.
Шепли опирался на зависимость период-светимость для цефеид, обнаруженную Г. Ливитт в 1908 г. по наблюдениям этих звезд в Магеллановых Облаках. Сначала он определил расстояния до ряда шаровых звездных скоплений, содержащих цефеиды, а затем, опираясь на них, разработал способы оценки расстояний и для скоплений, цефеид не содержащих. Он предположил, что концентрация шаровых скоплений в созвездии Стрельца объясняется тем, что они сгущаются к центру звездной системы Млечного Пути, и нашел расстояние до него в 15000 пс.
Кертис же считал, что это расстояние намного меньше, а зависимость период-светимость для цефеид ненадежна. Но он был совершенно прав, отстаивая внегалактические расстояния "слабых туманностей" и объясняя их отсутствие в полосе Млечного Пути концентрацией в ней вещества, поглощающего свет. В такого рода дискуссиях всегда оказывается, что частично правы были обе стороны.
Таким образом, еще в начале 20-х гг. конкурировали две системы мироздания. По Шепли, в нашей гигантской Галактике, системе Млечного Пути, Солнце помещалось на далекой окраине, как и "слабые туманности". Вселенная Каптейна содержала Солнце близ центра и была намного меньше. О том, что же находится за пределами системы Млечного Пути, обе схемы мироздания поразительным образом умалчивали, хотя некоторые астрономы были убеждены (как и Гершель в XVIII веке!), что многочисленные слабые туманности являются огромными звездными системами, сравнимыми с нашей, и что спиральные Туманности Андромеды и Треугольника — лишь ближайшие из них.
Полностью уверен в этом был К. Лундмарк, который считал, что на фотографиях, полученных Дж. Ричи еще в 1908 г. на 60-дюймовом телескопе обсерватории Маунт-Вилсон, в МЗЗ видны отдельные звезды и оценил расстояние туманности в 300 000 пс. Более того, еще в 1887 г. И. Робертс на своем 20-дюймовом рефлекторе получил фотографии, на которых во внешних частях галактики Андромеды можно увидеть отдельные звезды... Но увидеть можно только то, что считаешь возможным увидеть. Когда в начале 20-х гг. Хьюмасон показал Шепли несколько переменных звезд — вероятных цефеид, отмеченных им на пластинке с изображением туманности Андромеды, Шепли стер его отметки — в этой газовой туманности не могло быть звезд! Ошибочность этого мнения была окончательно доказана в 1924 г. Э. Хабблом, использовавшим новый 100-дюймовый телескоп обсерватории Маунт-Вилсон. Он нашел цефеиды в МЗЗ и в М31 и по ним определил расстояния, оказавшиеся близкими к оценкам Лундмарка; обе системы оказались далеко за пределами системы Млечного Пути даже при завышенных Шепли размерах нашей Галактики.
Что же касается собственных движений "узлов" спиральных рукавов, то лишь к середине 30-х годов было доказано, что они отражают лишь ошибки измерений.
Вскоре, опираясь на расстояния до ближайших галактик, Хаббл смог оценить расстояния и до более далеких систем и к 1929 г. представил доказательства того, что лучевые скорости галактик возрастают с увеличением расстояний до них. Тот факт, что далекие туманности имеют большие положительные лучевые скорости, был известен давно, но Хаббл впервые, располагая надежными расстояниями, смог уверенно определить коэффициент пропорциональности между расстояниями и скоростями галактик, известный ныне как постоянная Хаббла.
Из найденной Хабблом зависимости следовало, что Вселенная расширяется: все расстояния между всеми галактиками увеличиваются со временем. И это открытие остается величайшим результатом астрономии не только XX века. Вселенная населена галактиками, и она расширяется! Переворот, произошедший в сознании астрономов за какой-то десяток лет, сравним по своей значимости с революцией Коперника.
Теория строения и эволюции звезд
XIX век не принес понимания природы звезд, было лишь доказано старое предположение, что звезды — это далекие солнца. Гравитационное сжатие было предложено лордом Кельвином как источник энергии звезд, но этого источника хватало лишь на миллионы лет, а эволюция форм жизни на Земле требовала времени в сотни раз большего. Мы понимаем теперь, что во времена, когда даже понятие кванта света было неизвестно, сама постановка вопроса об источниках энергии звезд была преждевременна. Кто знает, о каких наших проблемах то же самое скажут наши потомки...
Наблюдательные данные, которые должна была объяснить теория строения и эволюции звезд, также появились лишь в нашем веке. Э. Герцшпрунг в 1908 г. и Г. Рессел в 1910 г. построили диаграмму, связывающую температуру поверхности звезды с ее светимостью. Было обнаружено, что большинство звезд расположено вдоль главной последовательности, тянущейся от горячих ярких звезд до слабых и холодных, но имеется еще и группа холодных, но ярких звезд — красных гигантов и сверхгигантов.
Объяснение этой диаграммы стало важнейшей задачей теории внутреннего строения звезд, в создании которой особая заслуга принадлежит А. Эддингтону. Он разработал к 1924 г. модель звезды, механическая устойчивость которой определяется балансом силы тяжести и лучевого плюс газового давления. Это давление удерживает звезду от безудержного сжатия, и обеспечивается оно очень высокой температурой, нарастающей к центру звезды. Но что создает эту температуру, что является источником звездной энергии? Дж. Джинс считал, что это аннигиляция, превращение вещества в энергию, а Эддингтон — что это ядерные реакции, превращение элементов. Он говорил в 1926 г., что возможное в лаборатории Резерфорда не может оказаться слишком трудным для природы, и что "разумно надеяться, что в не слишком отдаленном будущем мы будем способны понять такую простую вещь, как звезда".
В те же годы было разгадано происхождение линий в спектрах звезд и тем самым были определены температуры и химический состав их поверхностных слоев. Это сделала в 1925 г. Ц. Пейн, ученица Рессела, на основе теории возбуждения и ионизации атомов, которую разработал незадолго до того М. Саха. Выяснилось, что относительное содержание химических элементов у всех звезд примерно одинаково и близко к солнечному: на 96-99.9% внешние слои звезд состоят из водорода и гелия, а остальное составляет железо, кальций и др. примерно в той же пропорции, как и средний химический состав Земли и метеоритов.
Резкое различие спектров звезд было объяснено различием температур их поверхностей, хотя содержание элементов тяжелее гелия может отличаться в сотни раз. Перед теорией встала вторая задача принципиального значения — объяснить химический состав звезд и вообще вещества Вселенной.
Отныне, с 20-х годов XX века уже развитие астрономии стало зависеть от успехов физики, которая начала возвращать свой старый долг астрономии — основы механики были созданы Галилеем, Ньютоном, Лагранжем и Лапласом на основе астрономических данных. Успехи ядерной физики позволили Г. Бете (ныне здравствующему!) заложить в 1938 г. основы теории источников энергии звезд. Концентрация большинства звезд на главной последовательности диаграммы Герщшпрунга-Рессла была объяснена тем, что это самая длительная стадия эволюции, на которой источником энергии звезд является превращение водорода в гелий. Эта реакция в ее взрывном варианте была осуществлена на Земле в 1952-1953 гг., но начавшиеся в те же годы работы по созданию управляемого термоядерного реактора все еще не увенчались успехом. Достигнутое в середине XX века понимание природы звезд и, в особенности, источников их энергии является величайшим триумфом естествознания.
Теория источников энергии и строения звезд в соединении с данными о диаграммах Герцшпрунга-Рессла звездных скоплений, звезды в каждом из которых образовались, без сомнения, совместно и почти одновременно и отличаются лишь массами, позволила в середине века понять основные закономерности эволюции звезд. Она идет тем быстрее, чем больше их масса, а пропорциональная кубу массы светимость определяет темп расхода ядерного горючего.
Наиболее населенная часть диаграммы, главная последовательность, заполнена звездами на продолжительной стадии горения водорода в ядре, после выгорания которого ядро сжимается, а оболочка звезды распухает. Наиболее массивные звезды скопления первыми переходят в стадию красных сверхгигантов и гигантов, у которых идет горение гелия в ядре. По светимости самых ярких звезд, еще оставшихся на главной последовательности, определяется их возраст и, следовательно, возраст всего скопления. Более тяжелые элементы, вплоть до железа, образуются на последующих все более кратких стадиях эволюции, заканчивающейся у массивных звезд вспышкой звезды как Сверхновой, в процессе которой образуются и более тяжелые элементы. При вспышках сверхновых и образовании планетарных туманностей (на поздних стадиях эволюции менее массивных звезд) элементы тяжелее гелия поступают в межзвездную среду и участвуют затем в образовании космической пыли, комет и планет.
Уже в 40-х годах стало ясно, что запасов ядерного горючего у наиболее расточительных звезд высокой светимости хватает лишь на миллионы лет — они должны образовываться в наше время. Постоянное соседство этих звезд с газопылевыми туманностями указывало на их генетическую связь, и Ф. Уиппл еще в 1942 г. заключил, что межзвездное вещество является единственным очевидным источником вещества для построения звезд. Молодость звезд высокой светимости вскоре получила подтверждение из совсем других соображений. В 1947 г. В. А. Амбарцумян заключил, что в разреженных группировках этих звезд, звездных ассоциациях, звезды не могут долго удерживаться вместе взаимным тяготением, и, следовательно, эти группировки образовались недавно. Вывод о групповом образовании звезд, продолжающемся и в наше время, стал общепризнанным.
Строение галактик
Открытие населенной галактиками Вселенной было и открытием нашей Галактики как одной из многих. Мы могли теперь сравнивать нашу звездную систему с другими и, наоборот, опираться при их изучении на знания о нашей Галактике. Две трудности препятствуют исследованиям Галактики. Одна из них — поглощение (точнее, рассеивание) света в облаках газа, содержащих также примесь твердых частиц, в основном углерода, из-за чего уменьшается видимый блеск звезд и искажаются их фотометрические расстояния, единственно определяемые для удаленных объектов. Бороться с поглощением света научились лишь недавно, ведя наблюдения в далеком инфракрасном диапазоне, в котором оно мало. Развитие интерференционных наблюдений из космоса в ближайшие десятилетия позволит определять расстояния объектов в нашей Галактике геометрически, без знания их светимости и видимого блеска, исправленного с учетом поглощения. Однако вторая трудность носит принципиальный характер. Мы живем близ экватора нашей дискообразной звездной системы и не можем окинуть ее взглядом сверху. С этим уже ничего не поделаешь. Надежда на то, что когда-нибудь мы установим связь с разумными существами, живущими хотя бы в килопарсеке над (или под) плоскостью Галактики, и они поделятся своими фотографиями, слаба...
В 40-х гг. было установлено, что в Галактике имеются два типа звездного населения. Население типа I, к которому относится Солнце, рассеянные скопления, звезды-сверхгиганты, облака газа и пыли концентрируется к плоскости Галактики, а население типа II (шаровые скопления, планетарные туманности, некоторые звезды-гиганты и др.) — к ее центру, образуя сфероидальное гало.
Распознание двух типов звездного населения было итогом серии работ, начавшихся с доказательства вращения Галактики Я. Оортом в 1927 г. Он показал, что распределение лучевых скоростей и собственных движений звезд по небу такое, какое следует ожидать, если звезды вращаются вокруг центра Галактики. Несколько раньше Б. Линдблад объяснил высокую лучевую скорость шаровых скоплений тем, что на самом деле система этих скоплений вращается вокруг центра Галактики медленно, а Солнце и другие звезды галактического диска — быстро, и их высокие наблюдаемые скорости являются лишь отражением движения Солнца.
Направление, перпендикулярное векторам скоростей шаровых скоплений, указывало на созвездие Стрельца, где помещается также и область их наибольшей концентрации. Стало окончательно ясно, что Шепли был прав, предполагая, что центр системы шаровых скоплений является и центром всей Галактики.
В работах Линдблада, Оорта и Боттлингера было заподозрено различие не только кинематических характеристик, но и физических типов звезд диска и гало Галактики. Однако только в работе В. Бааде, опубликованной в 1944 г., появилась концепция двух типов звездного населения.
Пользуясь пластинками, чувствительными к красным лучам, и низкой яркостью ночного неба, связанной со светомаскировкой военного времени, благодаря которой огни Лос-Анджелеса перестали подсвечивать небо над обсерваторией Маунт-Вилсон, Бааде получил серию длинных экспозиций центральной части галактики Андромеды и смог разрешить ее на звезды. Хабблу это не удалось, и он даже считал возможным, что ближе к центру М31 состоит из газа. Что же это были за звезды? Конечно, красные гиганты. Однако в рассеянных скоплениях нашей Галактики они столь слабы, что если это были бы такие же звезды, то в М31 они были бы недоступны для наблюдений. Бааде предположил, что это гиганты, но только другого типа — типа тех, что наблюдаются в шаровых скоплениях (они на 3 звездные величины ярче). И тогда все сразу стало на место. Не только шаровые скопления, но и типичные для них звезды поля концентрируются к центру спиральных галактик. Бааде назвал их населением типа II, а звезды галактического диска и рассеянные скопления — населением типа I.
Вскоре было найдено, что два типа звездных населений отличаются не только кинематикой и распределением в пространстве (что было детально изучено в работах П. П. Паренаго и Б. В. Кукаркина). Содержание тяжелых элементов у объектов населения II оказалось в сотни раз меньше, чем у населения I. Создание к концу 50-х гг. теории звездной эволюции дало возможность оценить возраст звезд. У населения II он составляет около 10-15 млрд. лет, тогда как у подавляющего большинства объектов диска возраст не превышает 8 миллиардов лет и может быть сколь угодно мал. Иными словами, только в диске наблюдаются признаки звездообразования, идущего на наших глазах в газопылевых облаках, которые показывают наибольшую концентрацию к плоскости Галактики.
Содержание элементов тяжелее гелия у всех звезд населения I "нормальное" (близкое к солнечному) именно потому, что они образовались из газа, уже обогащенного этими элементами при вспышках сверхновых. Это обогащение шло очень быстро в первые миллиарды лет жизни Галактики. Образование звезд и скоплений населения II было кратковременным и бурным эпизодом, в конце которого началось и продолжается до сих пор образование звезд населения I.
Большинство спиральных галактик, видимых с ребра, четко показывают плоскую дискообразную систему голубых (молодых) звезд и газопылевых облаков, перпендикулярную оси вращения галактики, и сфероидальную систему шаровых скоплений, концентрирующихся к центру галактики. Эллиптические галактики состоят почти исключительно из объектов населения II, а в неправильных — преобладает население I.
Природа спиральных рукавов галактик долгое время была загадкой. Дж. Джинс писал в 1929 г., что пока спиральные рукава остаются необъясненными, нельзя доверять теориям строения галактик. Он допускал, что в рукавах закручивается вещество, выбрасываемое из ядер галактик из других пространственных измерений. Еще недавно защищал близкую точку зрения X. Арп. Однако движение вещества вдоль рукава отсутствует, наблюдается замедление движения звезд и газа вокруг центра галактики при их попадании в рукава. Это говорит о том, что тянущиеся на десятки килопарсек правильные симметричные относительно центра галактики рукава — это спиральные волны повышенной плотности газа и звезд, возникшие благодаря спиральному возмущению гравитационного поля галактики. Причиной его считают наличие спутника, как у М51, или наблюдающиеся у всех спиральных галактик с такими рукавами отклонения их центральных частей от осевой симметрии — они имеют овальную форму.
Космологическая проблема
Таким образом, к середине века был заложен незыблемый и ныне фундамент наших представлений о природе звезд, о строении галактик и их систем. В 1952 г. нашла разрешение, казалось бы, последняя проблема, препятствовавшая всеобщему признанию их правильности. Найденная Хабблом в 1929 г. скорость расширения Вселенной означала, что около двух миллиардов лет назад все вещество было в точке и имело бесконечно большую плотность.
Это следовало и из космологических построений, основанных на общей теории относительности Эйнштейна, но возраст Вселенной получался неприемлемо малым, около двух миллиардов лет — меньше возраста Земли, известного из данных геологии. Величина, обратная постоянной Хаббла, дает "возраст Вселенной" — время, прошедшее с начала ее расширения. Оно определяется расстояниями до галактик, которые до сих пор основаны на светимостях цефеид и их видимых величинах в близких галактиках. В 1952 г. В. Бааде в результате исследований галактики Андромеды на 5-м рефлекторе, регулярные наблюдения на котором начались в 1949 г., пришел к выводу, что цефеиды ярче примерно на полторы звездные величины, чем считал Хаббл. Выявилась и еще одна его ошибка. Расстояния далеких галактик Хаббл определял, измеряя яркость их ярчайших звезд, но многие из них оказались компактными звездными скоплениями, светимость которых намного больше, чем у индивидуальных звезд. В результате вместо 500 км/с/Мпс у Хаббла постоянная его имени стала составлять 50-100, а возраст Вселенной — около 15-20 млрд. лет. К этому времени было уже ясно, что возраст самых старых объектов населения II, шаровых звездных скоплений, составляет около 10-15 млрд. лет. В картине эволюции звезд, галактик и Вселенной не было больше противоречий.
Известное завершение она получила в 1965 г., когда было обнаружено микроволновое фоновое излучение, реликт первоначального горячего состояния Вселенной. Оно возникло в момент отделения вещества от излучения, когда его температура составляла около 4000 градусов, но ныне, из-за расширения Вселенной, температура реликтового излучения составляет 2.7 К. Подтвержденная этим открытием космологическая модель первоначально горячей расширяющейся Вселенной объяснила, почему даже в самых старых звездах населения II наблюдается высокое (25-30%) содержание гелия — он образовался, в основном, еще в дозве-здном газе на ранней стадии расширения. На более поздней стадии начальные флуктуации плотности развились в протоскопления галактик, над проблемой происхождения которых успешно работали Я. Б. Зельдович и его школа. Открытие реликтового излучения подтверждало космологическую модель Фридмана и делало ненужной модель квази-стационарной Вселенной Ф. Хойла и Г. Бонди, согласно которой плотность расширяющейся, но вечной Вселенной всегда остается постоянной из-за появления нового вещества.
Казалось, что основные проблемы астрономии решены — исходные мгновения расширения Вселенной составляли уже чисто физическую проблему, для решения которой требовалось развитие теории квантовой гравитации. Все трудности, вроде бы, удалось "смести под этот ковер".
Правда, оставалось облачко сомнений, зародыш которого возник еще в 1933 г. Ныне оно разрослось в гигантскую проблему ненаблюдаемой, темной материи, общую и для физики, и для астрономии.
В 1933 г. Ф. Цвикки обнаружил, что разброс (дисперсия) скоростей галактик в скоплении Волос Вероники составляет около 1000 км/с. В предположении гравитационной связанности этого скопления отсюда следовало высокое отношение массы к светимости для этих галактик, на порядок большее, чем следовало бы ожидать, исходя из их звездного состава.
Аналогичный результат был получен затем для скопления галактик в Деве. Цвикки не мог найти объяснений этой странности, и на проблему не обращали внимания до 1958 г., когда В. А. Амбарцумян предположил, что высокие скорости галактик в скоплениях объясняются тем, что они распадаются подобно звездным ассоциациям. Некоторое время это предположение пользовалось успехом, однако, вскоре стало ясно, что оно ведет к еще большим трудностям.
Большинство эллиптических галактик, возраст звезд в которых около 15 млрд. лет, находится в скоплениях, однако оценки массы галактик и их скорости в скоплениях приводили к выводу, что возраст самих скоплений не более миллиарда лет — намного меньше возраста звезд населения II. Вместе с предположением об образовании звезд из сверхплотного вещества, об особой роли ядер галактик, порождающих де окружающую галактику, эти представления получили название "бюраканской концепции"; несколько советских философов настойчиво противопоставляли ее взглядам большинства астрономов. Фактически они утверждали, что происхождение звезд и галактик все еще неизвестно.
Однако уже с конца 30-х годов начали появляться признаки того, что ненаблюдаемое вещество имеется и в индивидуальных галактиках, а не только в самих скоплениях. Это в первую очередь следовало из того, что диски галактик сохраняли высокие скорости вращения и на очень больших расстояниях от центра, там, где звезд уже не было видно. В 1974 г. Дж. Острайкер и Дж. Пиблс и независимо от них Я. Эйнасто и его сотрудники, анализируя зависимости скоростей вращения галактик от расстояния до их центров и плотность вещества в их дисках, пришли к выводу о существовании у галактик обширных корон из темного, ненаблюдаемого вещества, в которых может заключаться около 90% массы галактики. Массы галактик следовало увеличить на порядок, и их скопления при этом становятся гравитационно связанными, что следовало также и из скоростей движения горячего газа, обнаруженного в те же годы при изучении скоплений галактик в рентгеновском диапазоне.
С тех пор проблема скрытой массы остается нерешенной, носители ее неизвестны, хотя практически все уверены, что это не обычное барионное вещество. Нельзя, пожалуй, сказать, что эта проблема находится в центре внимания астрономов — наличие невидимого вещества проявляется только в динамике галактик, по ее гравитационному воздействию, и в большинстве исследований о нем можно не помнить; однако ныне эта проблема становится главной заботой теоретической физики. Нарастает понимание того, что телескопы, а не ускорители будут играть решающую роль на переднем краю физики не только макромира, но и микромира, как об этом пророчески писал Л. А. Арцимович еще в 1972 г. Фактически, это время уже настало.
По последним оценкам, масса барионной материи во Вселенной составляет всего лишь 4%, из которых 3% приходится на горячий газ, а 1% — на звезды и холодный газ. Темное вещество может составлять около 30% полной массы Вселенной, возможно, что носители его являются еще неизвестными элементарными частицами. Остальные 66%, возможно, приходятся на долю "скрытой энергии" или "квинтэссенции", которую считают ответственной за ускоренное расширение Вселенной, выявляемое в последние годы по наблюдениям далеких сверхновых типа la, светимость которых можно считать повсеместно одинаковой.
Эта проблема составляет часть общей космологической проблемы, которая все еще далека от решения. Отметим, что на новом этапе, начавшемся с восьмидесятых годов, космология вообще снимает проблему начала мира.
Большинство космологов согласно сейчас с предположением, что до начала современного этапа расширения был этап намного более быстрого, как говорят, инфляционного расширения нашей Вселенной. В русле работ по созданию единой физической теории появилась инфляционная космология, согласно которой первичной и вечной сущностью является т.н. ложный физический вакуум, в котором спонтанно рождаются расширяющиеся пузыри пространства-времени, новые вселенные, с самыми разными параметрами и разными физическими законами в них, и одной из них является наша Вселенная.
Успешно продвигается работа по объединению электромагнитослабых и сильных (управляющих частицами в ядрах атомов) взаимодействий, просматриваются возможности последующего включения в единую теорию и гравитации. По мнению американского физика Р. Фейнмана, настанет день, когда мы будем знать все, и жизнь станет скучной. Возможно, но день этот придет лишь в бесконечно далеком будущем...
Пессимисты любят вспоминать известный диалог между ангелом и Всевышним:
— Господь, они открыли новую элементарную частицу, как будем реагировать?
— Добавим еще один нелинейный член в уравнение единого физического поля!
Будем однако же надеяться, вместе с Эйнштейном, что Господь хотя и изощрен, но не злонамерен...
Новые объекты Вселенной
В 60-х годах последовала серия открытий новых астрономических объектов, что стало возможным благодаря расширяющимся наблюдениям вне пределов оптического диапазона электромагнитного спектра. Радиоастрономия встала на ноги еще в 50-е годы, когда исследования на длине волны нейтрального атомарного водорода 21 см позволили обнаружить концентрацию газовых облаков в диске и особенно в спиральных рукавах нашей Галактики. Были обнаружены галактики, особенно сильно излучающие в радиодиапазоне, а в 1960 г. был найден звездообразный объект — мощный радиоисточник. К 1963 г. их стало четыре, и в марте этого года М. Шмидт догадался, что загадочная последовательность эмиссионных линий в спектре одного из них, ЗС 273, — не что иное, как бальмеровская серия линий водорода, но с красным смещением 0.158. Звездобразный объект оказался дальше далеких галактик!
Такого рода объекты получили название квазаров. Светимость их намного больше, чем у обычных галактик, а угловые размеры намного меньше, но все попытки объяснить красное смещение иначе, чем большим расстоянием, остались безуспешными. Споры продолжались лет десять, но накапливалось все больше свидетельств того, что квазары — это далекие галактики с необычно ярким ядром и мощным радиоизлучением. И. С. Шкловский еще в 1963 г. отметил сходство их спектров и спектров ядер сейфертовских галактик. Правда, X. Арп и сейчас еще отстаивает мнение, что квазары — это объекты, выброшенные из ядер галактик, а их красное смещение является свойством новорожденной в ядрах материи...
Новая физика не оказалась нужна и для пульсаров, открытых в 1968 г. Строго периодические, повторявшиеся через доли секунды радиоимпульсы выглядели столь необычно, что обнаружившие их английские радиоастрономы на полгода засекретили свое открытие, подозревая, что сигналы подают разумные обитатели космоса. Но очень скоро стало ясно, что они возникают вследствие быстрого вращения звезд с сильным магнитным полем, радиоизлучающих в узком конусе. Периоды вращения указывали на чудовищную плотность пульсаров, и это означало, что наконец-то открыты предсказанные еще в 30-х годах нейтронные звезды — огарки сверхновых. Можно сказать, что открытие пульсаров было почти предсказано. В частности, Н. С. Кардашев писал о том, что объект, остающийся после взрыва сверхновой, должен, в силу законов сохранения, обладать быстрым вращением и сильным магнитным полем, не было предсказано лишь коллимированное радиоизлучение.
В те же 60-е годы начались открытия источников рентгеновского излучения. Большинство из них оказалось нейтронными звездами, входящими в состав двойных систем. Этот сорт конечных продуктов звездной эволюции был уверенно обнаружен. Но звезды с массой больше примерно трех масс Солнца должны заканчивать свою жизнь как черные дыры, безудержно коллапсируя за пределы гравитационного радиуса. Первые подозрительные на чернодырность объекты были найдены в те же годы. Это были невидимые компоненты затменных двойных систем, массы которых превышали три солнечных. Сейчас такого рода объектов насчитывается около дюжины.
Доказательства наличия черных дыр в центрах ряда галактик более определенны, тут речь идет об объектах с массами в миллионы солнечных. Концентрация гигантской массы в ничтожном объеме доказана недавно для центра нашей Галактики прямым измерением движений звезд. Уверенные признаки наличия черных дыр сейчас найдены в центрах примерно полусотни галактик. Это ставит проблемы не менее серьезные, чем существование материи, замечаемой лишь по ее гравитационному воздействию. Теории черных дыр, во всяком случае, их внутренней области, еще нет, и это открывает широкий простор для самых смелых предположений. Черные дыры могут оказаться окнами в другие вселенные, в другие пространственно-временные измерения...
Нейтронные звезды и черные дыры, так или иначе, замешаны и в явлении, известном как вспышка гамма-излучения. Эти вспышки, открытые в 1967 г., оставались загадочными в течение 30 лет — неперекрытый рекорд в современной астрономии. Долгие 6 лет гамма-вспышки составляли глубокий секрет Национальной обсерватории в Лос-Аламосе (где их обнаружили с помощью системы спутников, предназначенной для регистрации ядерных взрывов), хотя довольно скоро было установлено, что вспышки приходят из космоса.
Наконец, побывавший с визитом в Лос-Аламосе известный физик Ф. Дайсон сказал своим коллегам, что даже Советам не под силу почти каждый день выводить в космос ракеты с водородными бомбами — надо публиковать сообщение о явлении.
Кратковременность явления (от долей до сотен секунд) указывала, что источником гамма-лучей являются очень компактные объекты, такие, как нейтроннные звезды. Полная изотропность расположения на небе (отсутствие концентрации ни к плоскости, ни к центру Галактики, ни к близким галактикам) оставляла только две возможности — они либо очень близко от нас, не дальше ближайших звезд, либо же очень далеко — и тогда это очень редкие явления чудовищной энергии в далеких галактиках.
Проблема мучила астрономов дольше, чем какая-либо другая во второй половине XX века. В отличие от квазаров или пульсаров, ни в каком другом диапазоне спектра гам-мавсплески не обнаруживались, и причиной этого была кратковременность явления и отсутствие сколько-нибудь точных координат. Лишь 28 февраля 1997 г. итало-голландский спутник Beppo-SAX зарегистрировал гамма-вспышку GRB 970228, на месте которой был обнаружен угасающий рентгеновский источник. Это позволило определить точные координаты, по которым на месте гамма-вспышки была найдена слабая галактика. Затем было обнаружено оптическое послесвечение у всплеска GRB 970508 — и вновь на его месте была найдена слабая галактика, красное смещение линий в спектре которой (z=0.835) оказалось поисти-не гигантским.
Сейчас подобные послесвечения в оптическом диапазоне наблюдались уже у двух десятков гамма-всплесков, у половины из них измерено красное смещение. За единственным исключением, они находятся в пределах от 0.5 до 4.5, что означает чудовищно гигантские энергии вспышек, до 1053-1054 эрг, как у сотен и тысяч сверхновых звезд, вспыхнувших одновременно. Нарастает подозрение, что гамма-вспышки являются узконаправленными релятивистскими джетами, что существенно уменьшает оценки мощности вспышек, но увеличивает оценки их частоты в каждой галактике.
Гамма-вспышки регистрируются почти каждый день, и вместе с их расстояниями это означает, что в каждой галактике они вспыхивают примерно раз в несколько миллионов лет — в отличие от Сверхновых, частота вспышек которых — раз в столетие. Изображения галактик, в которых зарегистрированы послесвечения, вроде бы показывают, что гамма-всплески происходят вблизи областей звездообразования, и поэтому многие астрономы склоняются к предположению, что они связаны с коллапсом очень массивной, быстро вращающейся звезды.
Согласно другой гипотезе, явление гамма-всплеска возникает при слиянии компонентов тесной двойной, состоящей из нейтронных звезд или черных дыр, которое происходит вследствие сближения компонентов системы при излучении гравитационных волн. По мнению автора, в этом случае наблюдаемое тяготение гамма-всплесков к областям звездообразования можно объяснить тем, что они сами способны инициировать звездообразование, а тесные системы из компактных объектов возникают при сближениях звезд в плотных массивных скоплениях, и поэтому гамма-всплески происходят вблизи таких скоплений.
Проблема гамма-всплесков остается наиболее актуальной в современной астрофизике. Здесь пересекаются космология, эволюция звезд и галактик, физика высоких энергий. Более того, не исключено влияние гамма-вспышек на эволюцию жизни на Земле. Такая вспышка даже на расстоянии порядка килопарсека может убить все живое на обращенном к ней полушарии Земли (но не под водой). Возможно, что пока такие вспышки были слишком частыми, наземная жизнь не могла проэволю-ционировать достаточно далеко.
Подводя итоги
Подводя итоги астрономии XX века, необходимо согласиться с мнением И. С. Шкловского, высказанным им более 20 лет назад. Этот век был для астрономии тем же, чем эпоха великих географических открытий для географии. Может быть лучше воспользоваться архаическим термином и говорить в данном контексте о космографии, об описании Вселенной.
Вселенная населена гигантскими звездными системами — галактиками, одной из которых является наша система Млечного Пути, и она расширяется. Этот вывод, неопровержимо доказанный к 1929 г., и по сей день остается важнейшим итогом XX века.
Космография завершена в XX веке, Америку нельзя открыть еще раз. Однако понимание Вселенной, как мы уже говорили, никогда не станет исчерпывающе полным. Проблемы начальной стадии ее эволюции и природы ненаблюдаемого вещества далеки от решения, и будучи поставленными астрономией, они являются ныне величайшим вызовом для теоретической физики. Астрономы наблюдают лишь 5% массы Вселенной, но полученных ими данных оказалось достаточно, чтобы доказать наличие остальных 95%!
Проблема сингулярности, сверхплотной начальной стадии расширения Вселенной, многократно возникает и при гравитационном коллапсе массивных звезд, и в ядрах галактик, где наличие черных дыр безусловно доказано. Квантовая теория гравитации остается все еще наукой будущего, и без нее эта проблема не будет решена.
Активность ядер галактик может быть связана с аккрецией вещества на сверхмассивные черные дыры. Узкие джеты длиной до мегапарсека выбиваются в противоположные стороны ряда галактик, кончаясь в гигантских газовых пузырях. Вдоль этих джетов вещество выбрасывается с субсветовыми скоростями. Такие джеты, самого разного масштаба, наблюдаются и в квазарах, и в двойных системах, и по-видимому везде, где замешаны черные дыры — а впрочем, и в очень молодых звездах.
Возможно, что аналогичные явления наблюдаются и в гамма-всплесках. Теория релятиви-стких джетов находится еще в стадии создания. Это та область, где особенно необходимо накопление наблюдательных данных.
Вторым по значению достижением астрономии XX века, после открытия галактик и расширения Вселенной, представляется нам построение теории звезд, их строения, источников энергии и эволюции. Совместные усилия наблюдательной астрономии и физической теории привели к результату, который будущие века лишь уточнят в деталях. Превращение звезд главной последовательности в красные гиганты, термоядерные реакции синтеза как источник энергии звезд — эти выводы теории покоятся на незыблемом фундаменте множества взаимо-согласующихся наблюдательных и экспериментальных фактов. Объяснение распространенности химических элементов во Вселенной также является важнейшим и бесспорным достижением, полученным на стыке космологии и теории звезд.
Можно, пожалуй, сказать, что концептуальных достижений такого масштаба в XIX веке не было. Важнейшие его результаты носили скорее методический характер — высокоточные определения положения звезд, что привело к определению параллаксов немногих звезд и массовому определению их собственных движений, и открытие спектрального анализа, что сразу же позволило начать определения лучевых скоростей звезд. Надо, однако, заметить, что лишь определение расстояний звезд и изучение их спектров доказало в XIX веке сделанное многие века назад предположение о том, что наше Солнце — одна из звезд.
В нашем веке величайшее достижение методики — это, конечно, превращение астрономии во всеволновую. Уже работающие нейтринные телескопы и создающиеся приемники гравитационных волн означают выход и за пределы электромагнитного спектра.
Резко раздвинутся в ближайшие годы возможности и оптической астрономии, и не только благодаря введению в строй целой армады крупных наземных и космических телескопов. Ведутся обширные программы наблюдений гравитационного линзирования света, которое служит чем-то вроде естественного сверхтелескопа; фантастические перспективы открывают сверхточные астрометрические измерения из космоса. Выход в космос позволит резко увеличить разрешающую способность и радиоинтерферометрических методов.
Нельзя не сказать о подлинной революции в оптической астрономии, произошедшей в связи с массовым применением, начиная с 80-х годов, твердотельных приемников излучения — приборов с зарядовой связью (ПЗС-матриц). Они регистрируют до 90% падающего на них света, причем результат сразу дается в цифровой форме, удобной для обработки. Век астрономической фотографии длился чуть дольше века и фактически уже ушел в прошлое.
Человек и Вселенная
Особенностью астрономии является невообразимое количество разнообразных объектов, с которыми нам приходится иметь дело. Протон неотличим от другого протона, но у каждой галактики свое лицо. Без развития электронных средств хранения, обработки и передачи информации астрономы были бы теперь беспомощны. Размещенные в Интернете и обычно открытые для всеобщего пользования каталоги, базы данных и электронные варианты журналов являются не просто бесценным подспорьем, в ряде областей работа без их использования уже невозможна. Не менее важна система электронных препринтов, мгновенно делающая доступной результаты работы, а также поисковая система, позволяющая найти любую статью и данные о любом объекте. Мечта фантастов о всемирной библиотеке уж лет пять как воплощена в жизнь.
Подчеркнем еще раз, что выход в космос и превращение астрономии во всеволновую не принесли революционных изменений в собственно астрономической картине мира. Как отмечал И. С. Шкловский, важнейший результат космонавтики состоял в том, что прямые исследования далеких планет подтвердили результаты дистанционных астрономических наблюдений, укрепив нашу веру в то, что наши телескопы и теории правильно описывают мир — вплоть до четко определенных пределов, таких как начальная сингулярность и черные дыры. Здесь нас действительно ждет неизвестное, но новая космофизика включит в себя наше знание об обычных звездах и галактиках как частный случай.
Это и есть, по нашему мнению, признак подлинной науки — ее истинные результаты всегда подчиняются принципу соответствия Н. Бора — старое знание не отменяется, а оказывается предельным случаем нового. С этой точки зрения, революций в науке не бывает. Так, планетная теория Птолемея была элементом пранауки, а не первым приближением к истине, а деятельность Коперника, Галилея и Ньютона ознаменовала не революцию в астрономии, а рождение современной науки. Как подчеркивал В. Гейзенберг, умение предсказывать явление еще не означает его понимание, — что и продемонстрировала система мира Птолемея. А подлинная наука начинается с понимания, становящегося со временем все более и более полным.
Научная революция начала XX века, связанная с появлением теории относительности и квантовой механики, означала переворот не в науке, а в психологии исследователей, и была в сущности новым торжеством человеческого разума. Оказалось, что мы способны оперировать с объектами и явлениями, для которых у нас нет ни модельных представлений, ни соответствующих понятий. Теории, развиваемые первоначально как чисто математические формулировки, составили взаимосогласованную и подтвержденную многочисленными экспериментами и наблюдениями картину; замечательно при этом, что были использованы математические построения (вроде матричного исчисления), созданные сто лет назад и казавшиеся абсолютно абстрактными.
С 80-х годов стали развиваться представления о множественности вселенных с самыми разными физическими законами в каждой из них, об их спонтанном рождении из вечного флуктуирующего физического вакуума. Эти представления тесно связаны с работами по созданию единой теории физических взаимодействий. Мы вступили в этап новой мировоззренческой революции. Снимается вопрос о происхождении нашей Вселенной, о том, что было до ее рождения — но ценой отказа от единственности законов физики!
Удивительная "подгонка" всех параметров нашего мира к возможности нашего в нем существования, о необходимости объяснения которой говорит антропный принцип (не лучше ли говорить о парадоксе!), в таком случае не удивительна, число разнообразных вселенных по некоторым оценкам составляет 1050, и одна из них, наша Вселенная, могла возникнуть с комбинацией параметров, позволяющих именно наше существование или даже с необходимостью к нему ведущих.
Множественность вселенных, спонтанно возникающих из физического вакуума, следует из новой "инфляционной" космологии, развиваемой А. Д. Линде и другими. Описание эволюции нашей Вселенной, основанное на космологии Эйнштейна-Фридмана, при этом не отрицается, лишь ограничивается область его применимости в согласии с принципом соответствия.
Принципиальный прорыв в развитии космологии был, в известной степени, стимулирован признанием того факта, что существование звезд, планет и нас самих возможно лишь в узком интервале макро и микропараметров физического мира. Наше соответствие нашему миру было известно давно, но для многих и многих казалось вполне тривиальным обстоятельством, не заслуживающим размышлений; глубина проблемы и ее эвристическое значение не замечались. Между тем наиболее экономным решением антропного парадокса является именно предположение о множественности вселенных, и мы вправе сделать логический вывод о том, что Человек способен познать ту Вселенную, которая его породила.
Возможно, что аналогичная ситуация наблюдается и сейчас — не менее глубокой и потенциально плодотворной является проблема молчания Вселенной. Проблема существования внеземного разума может найти решение на путях дальнейшего развития космологии, как об этом пишет А. Д. Линде и еще раньше писал В. А. Лефевр. Такие серьезные ученые, как Ф. Хойл, И. С. Шкловский, Н. С. Кардашев, на счету которых блистательно подтвердившиеся идеи, много внимания уделяли и уделяют этой проблеме, но для многих специалистов она остается научной фантастикой, заниматься которой не пристало серьезному ученому. Между тем, это величайшая загадка мироздания, ибо при темпах развития таких же, как у нашей технологической цивилизации, вся Галактика должна быть освоена за несколько миллионов лет. Наша уникальность или же неизбежность замыкания каждой цивилизации в своем коконе должны получить объяснение.
Возможно, однако, что те виды деятельности или сигнализации, которые мы ожидаем встретить, основываясь на наших знаниях и технологическом опыте, осуществляются лишь на краткой стадии развития, которую другие цивилизации прошли раньше нас или пройдут позже нас на тысячи — или миллиарды — лет. Многие явления и объекты, наблюдаемые астрономами, могут быть связаны с активностью далеко опередивших нас космических субъектов, тогда как вероятность застать достаточно близко от нас цивилизацию на кратковременной — порядка 100 лет — стадии технологического развития, близкой к нашей, ничтожно мала. Для этого нужно совпадение во времени кратких этапов развития, начавшегося с разбросом в миллиарды лет. А только цивилизацию, находящуюся на близкой к нашей стадии развития, мы в состоянии опознать как таковую.
Ефремов Юрий Николаевич - доктор физ.-мат. наук, профессор, главный научный сотрудник ГАИШ МГУ.
