Пыль и газ вместо прозрачности

Еще Гершель считал, что Вселенная, по-видимому, заполнена не только светящимися образованиями типа звезд и туманностей; вполне вероятно, что там существуют протяженные области несветящейся материи. Многие десятилетия длились неиссякаемые, но безрезультатные дискуссии о наличии межзвездного вещества в космическом пространстве.

Кривая поглощения света в облаках межзвездного вещества

Огромный вклад в разрешение этого вопроса внесла фотография и особенно применение в астрономических исследованиях телескопов с короткофокусными объективами. Это позволило визуально наблюдать множество разнообразных структур. Среди них наиболее известна туманность в созвездии Лебедя, получившая из-за своих очертаний название "Северной Америки". Казалось, что эта чрезвычайно богатая звездами область соседствует с очень слабо светящимся участком. Но действительно ли это так?

Туманность 'Северная Америка' (объект NGC 7000) в созвездии Лебедя

Макс Вольф отрицательно относился к подобному предположению и полагал, что наблюдениям препятствуют протяженные темные пылевые облака. Рассуждая о свойствах и протяженности облаков, Вольф исходил из следующих соображений. Количество звезд на единицу поверхности неба, попадающее в поле нашего зрения, возрастает по мере падения их видимой яркости. Чем дальше проникает взгляд в глубины пространства, тем слабее кажутся звезды, в то время как на каждый квадратный градус неба приходится все больше пространства. Вольф сравнил реальное увеличение числа звезд с теоретическими оценками и получил весьма интересные кривые, названные позднее его именем. В отличие от кривой, которая отражает зависимость видимой яркости от расстояния для "чистой" области неба, кривая, соответствующая темной области, имела изгиб. По видимой яркости, при которой возникал этот изгиб, можно было определить среднее значение расстояния, откуда начиналась темная область. Светимость же звезды, при которой кривая вновь резко изгибалась и отныне шла уже параллельно "чистой" кривой, соответствовала расстоянию до конца темного облака. Так, впервые удалось приближенно измерить протяженность темных облаков и расстояния до них. Хотя в своем первоначальном варианте этот метод был далек от совершенства, тем не менее он позволил установить, что темные облака располагаются преимущественно в области галактического экватора. Различимое невооруженным глазом разветвление Млечного Пути в созвездии Лебедя, как вытекало отсюда, видимо, также обусловлено наличием темных облаков. Диаметр последних, согласно оценкам, составлял от нескольких до многих сотен парсек. Вещество, содержащееся в некоторых темных облаках, несмотря на малую плотность, имело очень большую массу - порой, в тысячу раз превышающую массу Солнца.

Поскольку темные облака представляли собой относительно плотные, но неравномерно распределенные в пространстве структуры, перед звездной статистикой встал крайне важный вопрос: существует ли в космическом пространстве более равномерно распределенная материя, которая, поглощая свет, идущий от звезд, приводит к систематическим ошибкам в результатах звездной статистики?

Ответить на этот вопрос можно, сравнив значения расстояний до звезд, полученные путем тригонометрических измерений, с теми, что давали фотометрические методы. Подобные сравнительные исследования, как бы трудны и даже неточны они ни были, показали, что независимо от наличия темных облаков свет звезд из любого участка неба всегда доходит до нас несколько ослабленным.

В то время ученые уже располагали кое-какими косвенными сведениями о широком распространении в космическом пространстве поглощающей излучение межзвездной материи, однако о ее распределении практически ничего не было известно. Ученым пришлось немало потрудиться, прежде чем удалось выяснить, что изменение звездного света действительно обусловлено межзвездным веществом и рядом его специфических свойств.

Как же повлияла эта новая информация на уже укоренившиеся представления?

Прежде всего факт существования поглощающего свет межзвездного вещества говорил о том, что возможности исследования плотности распределения звезд во Вселенной ограничиваются особенностями строения последней. Следовательно, имеется некий "предел видимости", или максимальное расстояние, на которое способен проникнуть наш взгляд. Полагая, что в среднем поглощение света во всех направлениях одинаково и равно приблизительно 0,5 звездной величины на 1000 пс, можно оценить его значение: оно составляет около 6000 пс. О распределении же звезд "за" этим пределом мы не можем судить сколько-нибудь достоверно, хотя свет некоторых особенно ярких звезд доходит до нас и из более далеких космических глубин.

Учет эффекта поглощения дал поразительный результат: звезды в плоскости Млечного Пути распределены неравномерно. Солнце не занимает здесь центрального положения, поскольку в разных направлениях плотность уменьшается неравномерно. Так, в направлении созвездия Стрельца - самого "густонаселенного" участка Млечного Пути - плотность звезд сначала уменьшается, а затем снова возрастает, достигая примерно той же величины, что и в окрестностях Солнца. Однако в противоположном направлении плотность непрерывно и быстро падает с расстоянием. Звездное облако в созвездии Щита оказалось локальным сгущением, находящимся на расстоянии порядка 2500 пс. Чем дальше исследователи проникали в глубь Вселенной, тем более расплывчатой становилась картина, так как помимо равномерного ослабления с расстоянием звездный свет также поглощался в многочисленных темных пылевых облаках. Однако даже приблизительный учет поглощения света в межзвездном пространстве привел к результатам, которые вполне согласовались с выводами, сделанными при изучении распределения шаровых звездных скоплений, а именно: область, ближайшая к Солнцу, -это всего лишь крошечный участок обширной системы (сгущения) звезд, к которой принадлежит и Солнце.

Наблюдая наиболее яркие звезды (прежде всего чрезвычайно яркие звезды спектральных классов О и В, а также переменные типа RR Лиры), астрономы смогли сделать еще кое-какие предположения относительно распределения звезд во Вселенной. Распределение звезд О- и В-классов оказалось экстремально неравномерным; единственное разумное объяснение этому состояло, по-видимому, в том, что в данном случае наблюдение ведется вдоль спирального рукава.

При обследовании Млечного Пути в поисках шаровых звездных скоплений в очень небольшом районе неподалеку от его центра были обнаружены космические объекты, свет которых ослаблялся очень незначительно. Отсюда астрономы сделали вывод, что именно через эту "дыру" в дебрях темного межзвездного вещества, возможно, удастся проникнуть вплоть до области ядра Млечного Пути. Целенаправленный поиск звезд типа RR Лира в этой области вскоре дал положительный результат: здесь действительно были обнаружены переменные, существенно уступавшие по яркости соседним звездам. Это, очевидно, означало, что подобные переменные, вероятнее всего, сосредоточены в центральной области Млечного Пути. По измерениям их видимой яркости было определено расстояние до них - оно составляло порядка 8600 пс. Именно эту величину приняли как расстояние Солнца от центра Млечного Пути. Согласно современным данным, оно равно примерно 9 тыс. пс.

Постепенно из множества наблюдений начала вырисовываться, хотя и весьма фрагментарная, но в целом вполне достоверная картина: звездная система представляет собой сильно сжатое скопление звезд, которые в свою очередь объединяются в более мелкие скопления и облака. В центре системы, как предполагалось, существует сгущение. Область вблизи экваториальной плоскости Млечного Пути неравномерно заполнена облаками межзвездного вещества. Максимальная протяженность звездной системы достигает 30 тыс. пс, а ее наибольшая толщина - порядка 5 тыс. пс (т. е. сжатие 1:6). Это сплюснутое образование окаймляет огромная сфера, включающая переменные типа RR Лиры, а также другие старые звезды и шаровые скопления.

К описанной картине, явившейся итогом оптических наблюдений, добавились многочисленные впечатляющие результаты фотографирования объектов, которые сегодня мы называем внегалактическими. Следует заметить, что долгое время природа этих объектов представлялась весьма неясной. Как доказать, что это не "газовые туманности" или скопления звезд в нашей звездной системе? В первые два десятилетия XX в. аргументы в пользу спиралевидного строения других систем и существования поглощающих свет слоев вблизи галактического экватора таких образований выглядели весьма правдоподобными, но не доказанными умозаключениями. Однако вскоре благодаря дальнейшему прогрессу в технике наблюдений положение в корне изменилось.