Космические рубежи теории относительности - Кауфман Уильям - Страница 66

Почти двести лет назад знаменитый французский охотник за кометами Шарль Мессье составил список примерно 100 туманностей. Хотя его первоначальной целью было помочь коллегам распознавать объекты, которые можно спутать с кометами, скоро выяснилось, что этот список содержит интереснейшие объекты неба. Первым в каталоге Мессье (М 1) оказалась Крабовидная туманность, изображенная на рис. 7.5. Сорок второй объект (М 42)-это туманность Ориона, а М 57-кольцеобразная туманность. Они приведены соответственно на рис. 6.6 и 6.9.

Многие из объектов Каталога Мессье находятся сравнительно близко от нас. Подобно туманности Ориона, Крабовидной туманности и Кольцеобразной туманности, они часто бывают связаны с процессами рождения и смерти звёзд. Расположены они также среди звёзд и находятся поэтому на обычных для звёзд расстояниях от нас. Такие объекты разбросаны по всей нашей Галактике.

Хотя многие из объектов Каталога Мессье представляют собой действительно облака газа или скопления звёзд, находящиеся в пространстве нашей Галактики, несколько десятков заметно отличаются от них. Эти необычные объекты имеют нередко форму колеса с закрученными спицами и были названы поэтому спиральными туманностями. Характерный пример - объект М 101, изображенный на рис. 16.1. Этим спиральным туманностям предстояло стать предметом самых горячих споров в астрономии со времен Коперника.

РИС. 16.1. Одна из галактик. В Каталог Мессье вошли объекты типа этой спиральной галактики (М 101). В начале 1920-х годов астрономы горячо обсуждали вопрос о том, на каких расстояниях от нас находятся галактики. (Ликская обсерватория.)

Главной проблемой оказалось расстояние до спиральных туманностей. Являются ли они сравнительно близкими объектами, расположенными на расстояниях всего в сотни или тысячи световых лет от нас? Или это гигантские объекты в миллионах световых лет от Галактики? К началу 1920-х годов астрономы-профессионалы разбились на два враждующих лагеря, и каждый научный конгресс сопровождался горячими спорами по этой проблеме.

К середине 1920-х годов проблема наконец была решена, когда молодой сотрудник обсерватории Маунт Вилсон Эдвин Хаббл сообщил об открытии переменных звёзд в нескольких спиральных туманностях, в частности в М 31. М 31 -это большая спиральная туманность в созвездии Андромеды. Часть этой туманности показана на рис. 16.2 (там указаны положения двух переменных звёзд в ней). Открытие этих переменных звёзд сослужило неоценимую службу, поскольку уже было известно, что период изменения блеска звёзд этого типа непосредственно связан с их абсолютной яркостью (светимостью). Измерив период, с которым эти звёзды изменяли свою яркость, Хаббл смог найти расстояние до них. Оказалось, что расстояние до М 31 составляет около 2 миллионов световых лет. Туманность Андромеды лежит далеко за пределами нашей Галактики, и это неопровержимо свидетельствует о том, что спиральные туманности - это гигантские звёздные системы. Сегодня эти звёздные системы называют спиральными галактиками.

РИС. 16.2. Переменные звёзды в галактике М 31. На этом снимке участка галактики Андромеды (М 31, которую обозначают также NGC 224) видны две переменные звезды, отмеченные стрелками. Исследуя свойства переменных звёзд, Хаббл сумел доказать, что галактики находятся очень далеко от нашей Галактики. (Обсерватория им. Хейла.)

В конце 1920-х годов Хаббл сделал новые важные открытия, касающиеся природы внегалактических объектов. Во-первых, он нашёл, что галактики можно классифицировать по четырем основным типам. Кроме обычных спиральных галактик, таких, как М 31 и М 101, имеются аналогичные объекты, сквозь ядра которых проходит как бы стержень. На рис. 1.4 приведен характерный пример одной из подобных пересеченных спиральных галактик.

Кроме спиральных и пересеченных спиральных галактик имеется и третий тип объектов, у которых вообще отсутствуют спиральные рукава. Такие галактики имеют вид эллиптических бесструктурных пятен и называются эллиптическими галактиками. Некоторые из самых ярких галактик неба, например М 87 (рис. 16.3), - это эллиптические галактики.

РИС. 16.3. Гигантская эллиптическая галактика М 87. У многих галактик, как и у этого объекта в созвездии Девы, вообще не наблюдается спиральных рукавов. Такие галактики называют эллиптическими. Эллиптическими являются некоторые из самых ярких галактик неба. (Ликская обсерватория.)

Наконец, те галактики, которые не могут быть причислены ни к одному из трёх предыдущих типов (т. е. к спиральным, пересеченным спиральным или эллиптическим), часто обладают необычной формой. Эти странные по своему виду галактики (например, М 82 на рис. 16.4) называются неправильными галактиками. К числу неправильных галактик относятся и две самые близкие к нашему Млечному Пути - Малое и Большое Магеллановы Облака, которые можно видеть невооруженным глазом в южном полушарии.

РИС. 16.4. Взрывающаяся галактика М 82. Этот объект в созвездии Большой Медведицы является образцом неправильной галактики. Искаженный вид галактики М 82 объясняется тем, что она находится в состоянии взрыва. (Обсерватория им. Хейла.)

РИС. 16.5. Красное смещение в спектрах галактик. Здесь приведены фотографии пяти эллиптических галактик и их спектров. Во всех спектрах заметно красное смещение, прямо пропорциональное расстоянию до галактик. Это показывает, что Вселенная расширяется. (Обсерватория им. Хейла.)

Хаббл не ограничился тем, что создал классификацию галактик по их внешнему виду. Кроме того, он исследовал спектры многих внегалактических объектов. Анализируя спектры далеких галактик, он заметил, что почти во всех этих спектрах наблюдается красное смещение. На рис. 16.5 видно, что спектральные линии сдвинуты к красному концу спектра. К 1929 г. Хаббл пришел к выводу, что существует прямая взаимосвязь между красным смещением в спектрах галактик и расстоянием до них. Самые близкие галактики имеют наименьшее красное смещение, т. е. медленно движутся от нас. Более далекие галактики обладают намного большими значениями красного смещения, а значит, движутся от нас намного быстрее. Эта связь между расстоянием и скоростью разбегания нагляднее всего выражается в форме графика. Он приведен на рис. 16.6 и иллюстрирует закон Хаббла.

РИС. 16.6. Закон Хаббла. Существует прямая пропорциональность между скоростями галактик и расстояниями до них. Галактики, расположенные близко от нас, удаляются очень медленно, а более удалённые галактики разбегаются с гораздо большими скоростями. Такая зависимость показывает, что Вселенная расширяется.

Значение закона Хаббла прежде всего состоит в следующем: так как все галактики становятся всё дальше и дальше друг от друга, то наша Вселенная должна расширяться! К тому же по наклону прямой на рис. 16.6 можно подсчитать, когда именно все галактики должны были находиться в одном и том же месте. Согласно самым последним и самым точным данным (полученным, в частности, в работах Аллана Сэндиджа в обсерватории им. Хейла, США), 18 миллиардов лет назад Вселенная должна была находиться в чрезвычайно сжатом состоянии. Затем по какой-то неизвестной причине произошел колоссальной силы взрыв (его так и называют Большим Взрывом), после чего началось расширение Вселенной. Самым непосредственным выводом из фундаментальной работы Хаббла является заключение, что Вселенная расширяется в результате первичного взрыва, происшедшего примерно 18 миллиардов лет назад. Таковы основные элементы теории, которая называется космологией Большого Взрыва.