Чтение онлайн

Собрав все это воедино, астрономы со временем пришли к выводу, что эти наблюдения в совокупности согласуются с сейфертовскими галактиками, в которых присутствуют сверхмассивные черные дыры, окруженные дисками прирастающего горячего вещества. Каждый аккреционный диск подобен «эпицентру взрыва», в котором газовые облака, идущие под влиянием притяжения к массивному астрономическому телу, сталкиваются с другим веществом, присутствующим в диске. Вихрь, возникающий в результате ударного нагрева, ярко светится на всех длинах волн, ионизируя и подпитывая энергией любые газовые облака, окружающие диск. Изменения в скорости аккреции объясняют наблюдаемые колебания в светимости как аккреционного диска, так и реагирующих газовых облаков.

Иногда свет от блестящего аккреционного диска не виден, а вместо него наблюдается сильное инфракрасное излучение. Астрономы называют такие системы сейфертовскими галактиками 2-го типа и строят модели, в которых ядра этих галактик окружены толстыми кольцами темной пыли. Пыль поглощает свет, исходящий от аккреционного диска, тем самым скрывая его от нашего взгляда, и повторно излучает этот свет на длинах волн среднего инфракрасного диапазона. Лучшим примером станет ближайшая к нам спиральная галактика с баром М77 (NGC 1068) в созвездии Кита, центральная область которой обильно излучает в инфракрасном диапазоне. Считается, что эмиссионные линии ее спектра исходят из облаков высокоионизированного газа, находящихся не более чем в световом году от черной дыры, расположенной в ядре, а также от аккреционного диска.

Если посмотреть на область ядра плашмя, а не с ребра, мы сможем увидеть прямое излучение аккреционного диска — и станем свидетелями самого высокоэнергетического излучения и самых широких эмиссионных спектральных линий. Такие системы называются сейфертовскими галактиками 1-го типа и служат относительно близкими аналогами квазаров, светящихся еще сильнее и заметных на гораздо больших расстояниях.

Нам нужно зайти довольно далеко, чтобы найти настоящий квазар — активную галактику, излучение ядра которой превосходит все остальные. Один из ближайших примеров — и первый объект, опознанный как квазар, — это 3С 273 в созвездии Девы. Значительное красное смещение эмиссионных линий его спектра указывает на то, что с тех пор, как свет этого квазара был впервые испущен, космос расширился в 1,16 раза. Это означает, что мы видим его таким, каким он испускал свое излучение примерно 2,4 млрд лет назад, когда находился примерно в 5 млрд световых лет от нас. Несмотря на невероятную удаленность квазара 3С 273, астрономы-любители могут наблюдать его в телескопы с апертурой 350 мм и более. Видимая звездная величина квазара, равная 12,9, в сочетании с огромным расстоянием до него дает просто невероятную абсолютную светимость — около 4 трлн солнц, или в 100 с лишним раз больше, чем у обычной галактики, и все это из области размером не больше нашей Солнечной системы. Недавние снимки, сделанные космическим телескопом «Хаббл» и космической рентгеновской обсерваторией «Чандра», позволили получить намеки на строение 3С 273, в том числе увидеть мощную струю и рассеянный звездный свет. Изображения других квазаров показывают большое разнообразие форм — от спиральных галактик, на первый взгляд совершенно обычных, до множества сливающихся галактик. Мы вернемся к квазарам в девятой главе, поскольку в расширяющейся Вселенной они, как кажется, занимают особый временной период.

КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ

Красное смещение спектральной эмиссионной линии, исходящей от галактики, определяется как (z = ?? / ? o ), где ?? — наблюдаемое увеличение длины волны эмиссионной линии, а ? o — длина волны, измеренная в лаборатории. Эта величина отражает степень расширения Вселенной с тех пор, как свет был впервые испущен. У квазара 3С 273 наблюдаемое красное смещение составляет z = 0,158. Это означает, что с тех пор, как он впервые излучил наблюдаемый нами свет, Вселенная расширилась на 16 %, или в 1,16 раза. Принимая как данность то, что возраст Вселенной составляет 13,8 млрд лет (и, по существу, она свободно расширяется), мы видим свет таким, каким он был испущен около 2,4 млрд лет назад.

Подсчет галактик

Как показано в этой главе, в наблюдаемой Вселенной удивительно много самых разнообразных галактик. Астрономы, вдохновленные их изумительной красотой, провели тщательную спектрозональную съемку и спектроскопические исследования — и выявили в пределах этих галактик сложное взаимодействие между звездами, газом и активными ядрами. Более того, они начали собирать воедино все сведения, связанные с эволюцией этих «островных вселенных» на протяжении космологического времени (см. гл. 10). Но сначала нам предстоит еще многому научиться и пока что просто подсчитать галактики, которые мы можем наблюдать. Впервые это с успехом сделали в 1996 году, после того как космический телескоп «Хаббл» фотографировал один и тот же участок неба в течение рекордных десяти дней непрерывной выдержки. «Глубокий обзор Хаббла», полученный в итоге, запечатлел лишь крошечный участок неба в созвездии Большой Медведицы. Представьте, что вы, держа в вытянутой руке монету в десять центов, фиксируете взгляд на глазе Рузвельта — это эквивалент небольшого поля обзора, доступного «Хабблу». Однако на нем были многие тысячи галактик. Этот невероятный «образец ядра» галактической Вселенной предоставил исследователям самые разные возможности, в том числе и шанс оценить общее число галактик в видимом космосе.

Достаточно сказать, что количество галактик, доступных наблюдению, поистине поразительно — от 50 до 100 миллиардов, — и это только гигантские галактики и карликовые галактики со вспышкой звездообразования. Меньшие и менее активные галактики пока остаются вне досягаемости наших исследовательских станций. С 1996 года «Хаббл», «Спитцер» и несколько наземных телескопов позволили нам получить другие глубокие обзоры космоса. Теперь у нас есть спектрозональное досье образцов галактического ядра, доступ к которому позволит изучить эволюцию галактик за космологическое время — начиная от более чем 10 млрд лет назад и заканчивая нашей эпохой. Однако, чтобы действительно обнаружить «первый свет» от самых молодых галактик, нам придется дождаться космического телескопа «Джеймс Уэбб» и других телескопов, сконструированных именно для того, чтобы уловить это едва заметное первичное излучение (см. гл. 10).

Расширение космоса

В 1920-х годах, задолго до «Хаббла» и его потрясающих сверхчетких снимков, астрономы начали пристально изучать галактики, доступные их детекторам и телескопам. Разделив галактический свет на спектры и сфотографировав их на длинной выдержке, они увидели на спектральных линиях значительные доплеровские смещения, заметные в длине волны. Спектры с синим смещением указывали на приближение к нам, спектры с красным — на удаление от нас. Например, галактика Андромеды (М31) показала синее смещение, вызванное тем, что она и Млечный Путь сходятся друг с другом со скоростью 110 км/с. Синее смещение имеет и галактика Треугольника (М33), которая движется к нам со скоростью 44 км/с.

Однако за пределами Местной группы для большинства галактических спектров были характерны красные смещения. Милтон Хьюмасон, талантливый помощник Эдвина Хаббла, искусно фиксировал эти спектры на фотопластинках с помощью вышеупомянутого телескопа Хукера, расположенного в южной Калифорнии, — самого большого телескопа в мире на тот момент. В ходе работы над спектрами Хаббл соотнес их красные смещения с самыми точными на то время оценками расстояния до соответствующих галактик и в 1929 году вывел свой фундаментальный закон: чем дальше до галактики, тем больше ее красное смещение. Сам он понимал это смещение как скорость удаления в соответствии с оптическим эффектом Доплера. Этого хватило, чтобы он совершил огромный концептуальный скачок и интерпретировал свой закон как свидетельство расширяющейся галактической Вселенной. Наглядные аналогии помогут нам яснее представить ход его рассуждений.

Предположим, у нас есть булочка с изюмом, которую мы собираемся поместить в печь. Выберем одну изюминку. Все остальные находятся от нее на определенном расстоянии: одни очень близко, а другие — подальше и ближе к другому краю булочки. Как только булочка испечется, она станет шире. Самые близкие изюминки отодвинутся от нашей «избранницы» совсем чуть- чуть, но те, которые были больше удалены от нее изначально, расположатся еще дальше, а несколько, находящихся на дальнем краю, отодвинутся на наибольшее расстояние. Это соотношение расстояние — движение работает для любой случайно выбранной изюминки. Другими словами, так подтверждается глобальное расширение.

Рис. 8.5. Недавний график с демонстрацией закона Хаббла, связавшего расстояние до галактики в мегапарсеках (Мпк) и скорость ее удаления (км/с). Наклон функции дает значение постоянной Хаббла, в данном случае равное 72 (км/с)/ Мпк. (По источнику: W. L. Freedman et al., Astrophysical Journal, vol. 553 [2001], p. 47.)

Сегодня астрономы больше не интерпретируют красные смещения галактик как следствие кинематической модели, согласно которой галактики удаляются от нас со скоростями, зависящими от соответствующих расстояний. Теперь они рассматривают рас — тяжение длин световых волн совершенно иначе — как признак расширения пространства. Это не галактики путешествуют в космосе — это сама ткань космоса расширяется и увлекает их за собой! К счастью, в этом случае аналогия с расширяющейся булочкой подходит еще лучше.

Несмотря на верные толкования, скорость расширения по- прежнему выражается в кинематических единицах, (км/с)/Мпк (Мпк — сокращение от мегапарсек, где 1 Мпк = 1 млн парсек, или 3,26 млн световых лет). В настоящее время наиболее точная оценка так называемой постоянной Хаббла (Но), рассчитанная на основе наиболее точно измеренных расстояний до галактик, составляет: Ho = 72 ± 6 (км/с)/Мпк, в то время как скорость удаления (vr), согласно кинематической интерпретации, линейно связана с расстоянием и выражается формулой vr = Ho • d, что показано на рис. 8.5.