Устройство звездного дома, в котором мы живем

В конечном счете выяснилось следующее. Большинство звезд-гигантов и звезд умеренной яркости концентрируется к плоскости нашей Галактики и в то же время к ее центру. Резкой границы у Галактики нет, все ее края постепенно сходят на нет. Поэтому, а также из-за неизбежных различий в выводах разных исследователей, размеры Галактики, приводимые разными авторами в книгах, изданных в разное время, бывают несколько различными. Можно принять, что диаметр Галактики составляет около 100 000 световых лет, а толщина ее раз в 10-15 меньше.

Однако распределение разных видов населения в Галактике различно. Самые яркие и массивные звезды - сверхгиганты - «жмутся» к плоскости Галактики сильнее остальных. То же надо сказать о слое космической пыли и межзвездного газа, уплотнения в которых наблюдаются как туманности. В окрестностях горячих звезд газ ионизован, и мы видим его как светлые туманности, а в остальном пространстве водород нейтрален и невидим, составляя основную массу газа. Плотность этой материи внутри слоя растет с приближением к плоскости Галактики. Однако отдельные облака газа, имеющие большую скорость, встречаются на расстояниях от галактической плоскости, превышающих 300 световых лет.

В середине Галактики находится ее ядро, которое по аналогии с ядрами других звездных систем (см. дальше) должно иметь вид немного сплюснутого эллипсоида вращения. Мы находимся от него несколько далее 25 000 световых лет. В ядре Галактики нет горячих сверхгигантов и возбуждаемых ими к свечению диффузных газовых туманностей. Нет там и пыли, но есть в нем нейтральный водород, который, по неясной еще причине, растекается оттуда в плоскости Галактики со скоростью около 50 км/сек. Ядро, вероятно, окружено быстро вращающимся кольцом нейтрального водорода. Основное излучение ядра создается, по-видимому, оранжевыми звездами-гигантами (не сверхгигантами) спектрального класса К и множеством звезд карликов класса М. По отдельности они все не видны, и этот вывод основан на анализе суммарного цвета и спектра ядра. В общих грубых чертах форма Галактики сходна с чечевицей или с тонкой линзой, в середине которой находится более толстое и яркое ядро. Это ядро должно было бы казаться очень ярким, если бы его не скрадывало, не затмевало поглощение света в массах космической пыли.

В 1948 г. советские ученые В. Б. Никонов, В. И. Красовский и А. А. Калиняк на Крымской обсерватории добились большого успеха. Применяя электронно-оптические преобразователи, они сфотографировали невидимое скопление звезд, являющееся ядром нашей Галактики. Своего успеха они добились потому, что космическая пыль слабо задерживает инфракрасные лучи, испускаемые, так же как и видимые лучи, звездами галактического ядра. Прибор советских ученых был способен реагировать на эти невидимые глазом лучи, почти беспрепятственно пронизавшие облака космической пыли и дошедшие до нас. Невидимое изображение центра Галактики можно было превратить в изображение, лучи которого запечатлеваются фотопластинкой; так впервые в мире центр Галактики был заснят сквозь скрывавший его занавес.

Для изучения структуры Галактики мы находимся в очень невыгодном положении. Мы живем в ней и видим ее изнутри. Это очень затрудняет установление того, что мы могли бы выявить, бросив на нее лишь мимолетный взор откуда-нибудь издали.

Догадаться о внешнем виде нашего дома, не выходя из него, можно, изучая другие дома, видимые нами из окна. Наш дом - Галактика, другие дома - другие галактики.

Опять-таки по аналогии с другими сплющенными звездными системами - галактиками давно уже предполагали, что наша Галактика в своей плоскости должна иметь спиральные ветви, выходящие из ядра и закручивающиеся вокруг него. Обнаружить эти длинные спиральные ветви, погруженные в основной звездный диск, в ее, как говорят, плоскую составляющую, было невозможно пока не смогли научиться определять расстояние до очень далеких объектов и находить их на небе. В других системах спиральные ветви, иногда очень широкие, выделяющиеся своей яркостью на фоне диска, обрисовываются лучше всего расположением горячих гигантов, рассеянных звездных скоплений и газовых диффузных туманностей. В своей же Галактике мы до сих пор, отчасти из-за мешающего влияния межзвездной пыли, не можем изучать эти объекты во всем объеме. Спиральные ветви часто не являются сплошными и геометрически правильными, нередко имеют ответвления. Поэтому относительно расположения спиралей нашей Галактики между учеными нет пока полного согласия. Радиометодами также обнаруживают спиральные ветви в расположении нейтрального водорода. Но эти ветви, прослеженные в большем объеме, пока еще не так легко согласовать с наметками ветвей, полученными из визуальных наблюдений. Может быть, их неполное совпадение реально.

Планетарные туманности и новые звезды являются промежуточными системами. Их концентрация к галактической плоскости умеренна, но она велика в направлении к центру Галактики. Эта система не плоская, она ближе к сферической. Почти сферическую звездную систему представляют собой немногочисленные шаровые скопления, сильно концентрирующиеся к центру Галактики. Они-то и распространяются до крайних границ Галактики, очерчивая ее максимальные размеры.

Наконец, сферическую систему образуют звезды умеренных светимостей - субкарлики и короткопе-риодические цефеиды, которых множество находится и в почти сферическом ядре Галактики. Таким образом, в слабо светящуюся сферическую корону, образованную этими звездами, погружено и ядро Галактики, и ее плоская составляющая, в которой выделяются своей яркостью спиральные ветви. Спиральные ветви, бросающиеся в глаза в других галактиках, - это эффектный, но легковесный (малый по массе) придаток внутри почти шарообразной системы, состоящей из слабых звезд, масса которых, однако, уступает массе сверхгигантов не так уж сильно, как уступает их светимость. Природа спиральных ветвей - этого украшения некоторых звездных систем - нам еще не ясна.

Масса нашей Галактики, оцененная несколькими способами, составляет 2•10¹¹ масс Солнца. Около 1/100 этой массы составляет межзвездный водород, преимущественно нейтральный. Масса 2•10¹¹ соответствует оценке числа звезд в Галактике, так что на долю несветящихся звезд, если такие вообще есть, приходится очень малая доля массы.

Оорту (Голландия) в 1927 г. удалось обнаружить обращение звезд и в том числе Солнце (вместе с его планетами) вокруг центра Галактики. Как можно обнаружить вращение нашей звездной системы, впервые указал еще в середине прошлого века казанский астроном М. А. Ковальский, но его открытие было забыто. Галактика вращается не как колесо, но и не так, как планеты обращаются вокруг Солнца. Закон ее вращения сложен и является сочетанием законов, представляющих указанные два типа вращения. Солнечная система обращается вокруг центра Галактики, лежащего от нас на расстоянии 25 000 световых лет со скоростью около 220 км/сек. Форма орбиты как следует еще не известна, но если она близка к окружности, что вероятно, то один оборот по ней Солнце завершает примерно за 270 млн. лет. Этот период, если хотите, можно принять за «космический год» для измерения очень больших промежутков времени. Вер история человечества в сравнении с таким периодом - только краткий миг! Если бы мы могли видеть, как Солнце несется и заворачивает по своей орбите, как мы видим поезд, заворачивающий на закруглении пути, то мы не могли бы уследить за оборотами планет около Солнца. Они казались бы вертящимися быстрее, чем лопасти электрического вентилятора.

Звезды обращаются вокруг центра Галактики с разными скоростями и, например, короткопериодические цефеиды отстают от Солнца на 100 км за каждую секунду! Движение нашей Солнечной системы со скоростью 20 км в секунду в направлении к созвездию Лиры - это ее движение внутри нашего звездного облака или Местной системы. Оно мало и не мешает нам вместе со всей Местной системой обращаться вокруг галактического центра.

Расположение невидимого нейтрального газа можно установить во всем объеме Галактики. При этом очень важно следующее. В галактической плоскости оптические исследования ограничиваются поглощением света в космической пыли. Это поглощение для радиоизлучения практически отсутствует, в радиолучах Галактика прозрачна. С другой стороны, допле-ровские смещения водородных линий с λ=21 см от облаков, лежащих на разных расстояниях от нас и движущихся с разной скоростью, позволяют эти линии изучать раздельно. В результате нейтральный водород, не в пример туманностям и звездам, можно изучать до самых удаленных областей Галактики.

Исследования распределения газа в Галактике показали, что в длинных уплотненных волокнах шириной около 200 парсек средняя концентрация водорода - 1 атом в 1 см³, а между ними она раз в 10 меньше.

В центральной области Галактики масса газа составляет ничтожную долю от массы звезд, но на периферии его масса равна примерно 15%, так как там звездная плотность падает. В целом масса газа составляет около 1-2 % от массы Галактики, остальное приходится на звезды. Более 90 % межзвездного водорода находится в нейтральном состоянии. Ионизован он лишь там, где много горячих гигантов, что бывает в основном в средних частях спиральных галактик. В нашей Галактике доля ионизованного водорода достигает 40 % на расстояниях между 3000 и 3500 парсек от центра.

Следовало ожидать, что в связи с этим светлые газовые диффузные туманности расположены там, где проходят волокна уплотненного нейтрального водорода. Ожидалось также, по аналогии с другими спиральными галактиками, что и светлые туманности, и нейтральный водород, и горячие звезды, в частности, скопления их, должны обрисовывать спиральные ветви нашей Галактики.

Такие сопоставления малоубедительны ввиду значительного произвола в объединении объектов в спиральные ветви. Основное расхождение состоит, объективно говоря, в том, что найденные волокна нейтрального водорода образуют скорее окружности, чем спирали. Мы полагаем, что расстояния до оптических объектов этого типа установлены еще ненадежно, как и расстояния до облаков нейтрального водорода, выведенные по экстраполяции закона вращения Галактики.

Рис. 176. Нейтральный водород в Галактике

Спиральные галактики бывают и с широко открытыми двумя-четырьмя спиральными ветвями и со многими ветвями или с почти концентрическими дугами. Возможно, что наша Галактика принадлежит к последнему виду: ее спиральные рукава или сильно ветвятся или состоят из бесчисленных коротких дуг. Тогда понятно, что обрывки этих образований трудно уложить в правильные схематические кривые, каких у реальных галактик почти не бывает.

Голландские астрономы установили существование в центре Галактики диска толщиной около 130 и радиусом около 400 парсек. Он вращается со скоростью около 200 км/сек на периферии. На расстоянии 300 парсек от центра они же нашли кольцо, или часть спирали, удаляющуюся от центра со скоростью около 50 км/сек. Кроме того, найдено, что слой межзвездного газа имеет перекос относительно плоскости Галактики, будучи приподнят в направлении к Магеллановым Облакам и опущен в противоположном направлении. Вероятно, это объясняется эффектом влияния этих небольших неправильных галактик (наших спутников) на газовый слой нашей Галактики. Подобные явления перекоса мы обнаружили еще раньше в некоторых парах других галактик.

Радионаблюдения позволили установить и температуру межзвездного газа по интенсивности линии 21 см в слоях, где он достаточно непрозрачен и излучает как черное тело. Была найдена температура излучения в 125°К вместо 10-15° К, как считали раньше. Предполагают, что столкновения облаков ведут к их нагреву до 3000°, после чего происходит охлаждение до 25° К, так что температура разных облаков весьма различна.

В итоге всех исследований можно сказать, что в нашей Галактике космической пыли раз в 10 меньше, чем диффузного газа.