Радиоволны из глубин Вселенной [1970 Зигель Ф.Ю.

Наша Солнечная система - лишь маленький островок в безбрежном океане Вселенной. У нас есть полная уверенность, что наряду со звездами, 5 лишенными планетных систем, существует множество и таких, которые, подобно Солнцу, окружены свитой планет. Вполне естественно допустить, что каждая звезда, как и Солнце, излучает в той или иной степени радиоволны. В ряде случаев к этому радиоизлучению самой звезды прибавляются радиоволны, посылаемые кружащимися вокруг нее планетами. Можно думать, таким образом, что, направив радиотелескоп в любую область звездного неба, мы уловим радиосигналы от далеких звездных миров.

Так оно и есть. Из любой точки небосвода, днем и ночью, в любую погоду к нам на Землю поступают радиосигналы от каких-то невообразимо далеких космических "радиостанции". Самое удивительное, что они, эти сигналы, гораздо сильнее, чем можно было ожидать.

Если источник света, например электрическую лампочку, удалить от предмета, который она освещает, естественно, что освещенность этого предмета уменьшится. Такое же явление свойственно и радиоволнам - с удалением радиостанции ослабевает и сила приема посылаемых ею радиоволн. Допустим, что каждая звезда излучает спокойные, тепловые радиоволны. Зная общее количество звезд в нашей звездной системе - Галактике, нетрудно подсчитать, что их общее радиоизлучение в сотни тысяч миллиардов раз меньше наблюдаемого.

Если даже предположить, что каждая звезда постоянно излучает радиоволны столь же мощно, как Солнце в периоды наиболее сильных всплесков, то и тогда расхождение между этими теоретическими подсчетами и фактами будет весьма разительным.

Кроме того, и по своему характеру радиоизлучение звездного неба совсем иное, чем тепловое радиоизлучение звезд. Все это заставляет думать, что в глубинах звездной Вселенной есть особые, сверхмощные источники радиоволн, совсем не похожие на те космические "радиостанции" Солнечной системы, с которыми мы уже познакомились.

Космическое радиоизлучение

Будем называть космическим радиоизлучением совокупность всех радиоволн, посылаемых на Землю теми источниками, которые находятся далеко за пределами Солнечной системы. Для того чтобы разобраться в природе этих источников, надо прежде всего вспомнить, какие объекты входят в состав нашей Галактики.

Ее основной "костяк" - звезды. Примерно 150 миллиардов солнц образуют в пространстве исполинский звездный остров, в самых общих чертах напоминающий чечевицу. При наблюдении "сверху" Галактика показалась бы нам весьма похожей на те многочисленные спиральные звездные системы, самая близкая из которых видна в созвездии Андромеды. Как и в других галактиках, спиральные рукава нашей звездной системы выходят из центрального ядра, представляющего собой плотное шаровидное скопище массивных звезд.

Когда смотришь на рисунки, изображающие схематически строение Галактики, может создаться ошибочное впечатление, что звезды в ней расположены весьма плотно. На самом деле звезду от звезды отделяют расстояния, в огромное число раз превосходящие средние поперечники звезд. Уменьшим мысленно размеры каждой звезды до размеров булавочной головки. Тогда в таком масштабе одну булавочную головку от другой придется удалить в среднем на 40 км. Но даже и в этом масштабе Галактика будет выглядеть весьма внушительно - ее поперечник все же останется близким к одному миллиону километров.

Пространство между звездами не пусто. Оно заполнено разными формами межзвездного вещества, в первую очередь так называемыми туманностями. Этим термином астрономы, как известно, обозначают колоссальные облака из крайне разреженных газов и не уступающие им по размерам облака твердой, очень мелкой космической пыли.

Представим себе, что туманность находится вблизи ярких, горячих звезд. Пылевая туманность при этом просто отражает свет звезд. Атомы газовой туманности поглощают ультрафиолетовое излучение звезды, чтобы затем испустить лучи видимого света. Такое явление холодного свечения газов в физике называется люминесценцией.

Примером люминесценции в земной практике может служить свечение всем знакомых ламп дневного света.

Вдалеке от звезд туманности кажутся темными. На фоне Млечного Пути некоторые из них похожи на какие-то зияющие чернотой провалы в яркой звездной россыпи.

Кроме туманностей, межзвездное пространство заполнено сплошной (в пределах Галактики), очень разреженной газовой средой, называемой межзвездным газом. Эта среда, состоящая главным образом из атомов водорода и гелия, в сотни раз менее плотна, чем самые разреженные из газовых туманностей. Ко всему сказанному надо добавить, что межзвездное пространство пронизано излучением звезд; в нем движутся мельчайшие частицы (главным образом ядра атомов водорода и гелия, а также электроны), выброшенные звездами. Повсюду в Галактике обнаруживается действие магнитных полей. Между звездами можно встретить самые разнообразные формы движущейся материи.

Какие же из перечисленных объектов можно считать источниками космического радиоизлучения?

Раньше, когда радиоастрономия еще только зарождалась, многие полагали, что радиоизлучение небесных тел пропорционально их оптическому излучению. С этой вполне естественной, как казалось, точки зрения самой мощной космической "радиостанцией" должно быть наиболее яркое небесное светило - Солнце. На самом же деле получилось совсем не так.

Например, в 1954 году выяснилось, что на волне длиной 32,8 м радиоизлучение ядра Галактики особенно сильно и в десятки раз превосходит радиоизлучение Солнца на волне той же длины. Если бы наш глаз способен был воспринимать радиоволны длиной 32,8 м, то Солнце на фоне галактического ядра казалось бы нам темным пятном!

Направляя радиотелескоп на различные участки звездного неба, можно узнать, какова мощность космического радиоизлучения в том или ином направлении. Оказывается, особенно мощные радиоволны исходят от галактического ядра. Заметна и резкая концентрация космического радиоизлучения к средней линии Млечного Пути, или, что то же самое, к средней "экваториальной" плоскости нашей Галактики. Такая же концентрация наблюдается и у основной массы звезд, входящих в нашу звездную систему. Это сходство - серьезный довод в пользу того, что источники космического радиоизлучения в значительной своей доле расположены внутри Галактики, а не за ее пределами.

Назовем совокупность радиоволн, зарождающихся внутри нашей звездной системы, радиоизлучением Галактики. По исследованиям И. С. Шкловского, радиоизлучение Галактики можно разделить на две части, или, как говорят, на две составляющие. Одна из них называется плоской составляющей. Источники, ее порождающие, заключены в сравнительно тонком слое вблизи плоскости галактического экватора. Источники другой, сферической составляющей, встречаются на самых различных расстояниях от Млечного Пути. Значит, и в пространстве они со всех сторон окружают ядро Галактики, располагаясь внутри некоторой воображаемой грандиозной сферы, центр которой совпадает с центром Галактики.

Рис. 42. Источники радиоизлучения Галактики

Различие двух составляющих гораздо глубже, чем может показаться. Оно относится не только к распределению источников в пространстве, но и к природе посылаемых ими радиоволн. Например, мощность радиоволн плоской составляющей почти не зависит от частоты электромагнитных колебаний, тогда как мощность радиоволн сферической составляющей обратно пропорциональна их частоте.

Если бы мы могли перенестись в центр Галактики и оттуда принимать космические радиоволны, то радиопередача источников сферической составляющей по всем направлениям была бы почти одинакова, а у плоской составляющей в некоторых направлениях мы бы зафиксировали особенно мощные "дополнительные" источники радиоволн.

Замечательно, что и в других галактиках, по крайней мере тех, которые похожи на нашу, также встречаются два типа источников радиоволн. В 1952-1954 годах было изучено радиоизлучение туманности Андромеды - ближайшей из крупных галактик. Оказалось, что и там есть две составляющие - плоская и сферическая. Радиоастрономия подтвердила большое сходство двух соседних звездных систем, давно уже известное оптической астрономии.

Попробуем теперь выяснить, какие же космические объекты создают радиоизлучение Галактики.

От радиозвезд к радиотуманностям

Начиная с 1946 года в течение нескольких лет на звездном небе один за другим были открыты сотни небольших по видимым размерам источников радиоволн. Радиотелескопы обладали тогда еще очень малой разрешающей способностью, и казалось, что эти отдельные, или, как их назвали, дискретные, источники радиоволн имеют почти точечные видимые размеры.

Соблазн принять их за тела, подобные звездам, был настолько велик, что вскоре дискретные источники космического радиоизлучения получили условное наименование радиозвезд. В настоящее время известно около двух тысяч радиозвезд.

Несмотря на малые видимые размеры, некоторые из радиозвезд в определенном диапазоне излучают радиоволны не менее сильно, чем Солнце. В северном полушарии неба сразу обратили на себя внимание две радиозвезды, одна из которых находится в созвездии Лебедя, а другая - в созвездии Кассиопеи.

Источник радиоволн из созвездия Кассиопеи - самый мощный на всем звездном небе. В метровом диапазоне его радиоизлучение почти не уступает радиоизлучению спокойного Солнца, хотя расстояние до радиозвезды из созвездия Кассиопеи в невообразимо большое число раз превосходит расстояние от Земли до Солнца. Лишь вдвое слабее радиозвезда из созвездия Лебедя, хотя источник радиоволн в этом случае несравненно дальше от Земли, чем радиозвезда из созвездия Кассиопеи. Если бы наши глаза способны были рассматривать Мир "на волне в несколько метров", то есть воспринимать радиоволны такой длины, то на небе мы увидели бы три солнца - одно наше, "настоящее", и два других - в созвездиях Кассиопеи и Лебедя. Заметим кстати, что для того чтабы на сетчатке глаза могло образоваться изображение источника радиоизлучения, наш глаз должен был бы увеличиться до 10-12 м в диаметре. Только такое "глазастое" фантастическое существо могло бы увидеть той солнца.

Давно уже составлены карты радионеба. Внешне они имеют сходство с обычными звездными картами. Два полушария неба - северное и южное. Кружочками отмечены радиозвезды. Чем ярче радиозвезда, чем мощнее поток ее радиоизлучения, тем большим кружочком она изображена.

Конечно, эти карты показывают только самые главные, самые яркие из радиозвезд. В северном полушарии неба кроме радиозвезд в созвездиях Кассиопеи и Лебедя, обращает на себя внимание источников созвездии Тельца. Все три радиозвезды расположены на фоне Млечного Пути. На южном небе наиболее мощный источник радиоизлучения находится в созвездии Центавра.

Гораздо подробнее карта радионеба, составленная английскими астрономами. На ней в специальной проекции изображено около двух тысяч радиозвезд - настоящее радиозвездное небо. Белая область - те места небосвода, где радиозвезды пока еще не исследованы (рис. 43).

Рис. 43. Карта неба с изображениями так называемых 'радиозвезд'

Кое-кто из астрономов предположил, что таинственные объекты, названные радиозвездами, находятся ближе к нам, чем настоящие звезды; быть может, даже где-нибудь на периферии Солнечной системы. Однако, когда попробовали измерить расстояние до некоторых радиозвезд, используя, как обычно, для этого обращение Земли вокруг Солнца, никакого заметного смещения радиозвезд не обнаружили. Учитывая точность измерений, можно было сделать вывод, что радиозвезды по меньшей мере в 2000 раз дальше Солнца, то есть что они находятся далеко за границами планетной системы, где-то в мире звезд.

Хорошо известно, что обычные звезды мерцают, переливаясь всеми цветами радуги. Неожиданно было открыто, что мерцание заметно и у радиозвезд. Интенсивность их радиоизлучения слегка, но весьма беспорядочно колебалась - так же, как свет мерцающих звезд. В этом можно было усмотреть довод в пользу сходства радиозвезд с обычными звездами.

Но потом, как это нередко бывает в истории науки, от гипотезы радиозвезд пришлось отказаться. Она оказалась ошибочной. Новые наблюдения с более совершенными радиотелескопами доказали, что сходство, казавшееся астрономам очевидным, было чисто внешним. Термин "радиозвезды" стал постепенно выходить из употребления.

Что же заставило астрономов коренным образом изменить свои взгляды?

Во-первых, когда увеличилась разрешающая способность радиотелескопов, оказалось, что точечные размеры радиозвезд - просто фикция. Более "зоркие" радиотелескопы обнаружили, что радиозвезды - весьма протяженные объекты неправильных, сложных очертаний. Например, получилось, что площадь, занимаемая на небе радиозвездой из созвездия Центавра, в 16 раз больше площади диска Солнца. Ничего звездообразного в радиозвездах на самом деле не было.

Во-вторых, обычные звезды заметно концентрируются к средней линии Млечного пути; у радиозвезд это явление совершенно отсутствует.

Виновником обманчивого мерцания радиозвезд оказалась земная атмосфера. В ней, высоко над поверхностью Земли, находятся ионизированные газы, образующие ионосферу. В ионосфере, как и в нижних слоях воздуха - тропосфере, постоянно возникают, движутся и распадаются бесчисленные струйки и потоки из ионизированных газов. Радиоволны, проходя сквозь ионосферу, преломляются и частично поглощаются в этих струйках. Они ведут себя совсем так же, как лучи видимого света в нижних, более плотных слоях атмосферы. Вот этими изменениями космических радиоволн и вызывается, мерцание радиозвезд.

Не будь атмосферы, радиоизлучение дискретных (отдельных) источников было бы спокойным и ровным, как свет Луны. Впрочем, так же вели бы себя и обычные звезды. Поэтому явление мерцания еще вовсе не раскрывает перед нами истинную природу радиозвезд.

Можно приближенно подсчитать, исходя из наблюдаемого количества радиозвезд, их общее число в нашей Галактике. Получается нелепость: радиозвезд раз в десять больше, чем обычных звезд. Однако, так как никакого заметного воздействия на движение звезд радиозвезды не оказывают, массы этих объектов должны быть очень малы. Подсчеты показывают, что каждая радиозвезда может быть не более чем в десять раз тяжелее Юпитера. Но подобные небольшие по массе тела вряд ли достаточно горячи. Почему же тогда они так сильно излучают радиоволны?

Все это, вместе взятое, привело к крушению гипотезы о радиозвездах. Но если загадочные источники космических радиоволн не могут быть обычными звездами или похожими на них телами, то тогда надо искать иные космические объекты.

С помощью радиотелескопов неопровержимо было доказано, что искомые источники неподвижны относительно звезд и, обладая заметными видимыми размерами, имеют обычно неправильную форму. Из всех известных нам небесных тел только туманностям свойственны все эти три особенности. Поэтому в конце концов почти все дискретные источники радиоизлучения были отождествлены с теми или иными туманностями.

Как надо представлять себе процесс отождествления?

Радиотелескопы все-таки еще очень несовершенны. Как правило, они дают весьма приближенное положение источника, примерно с точностью до минут дуги. Участок небосвода площадью в несколько квадратных минут довольно велик - во всяком случае, на нем нередко умещается несколько туманностей. Какая именно из них посылает радиоволны, разобраться не всегда легко. Тем более что и туманности могут быть разные: например, газовые, принадлежащие к нашей Галактике, и внегалактические туманности, лишь внешне похожие на облака газов, а на самом деле чрезвычайно удаленные звездные системы.

Несмотря на огромные трудности, удалось все же найти ряд туманностей, несомненно являющихся источниками мощных радиоволн. Так, например, в созвездии Кассиопеи, где радиотелескопы "нащупали" самую яркую радиозвезду, оптические телескопы зафиксировали несколько газовых сгустков, похожих на обрывки какой-то большой туманности.

В созвездии Тельца яркой радиозвездой оказалась знаменитая Крабовидная газовая туманность, хорошо известная астрономам уже с XVIII века. Этот объект весьма замечателен во многих отношениях, и о нем мы уже упоминали. Радиозвезда номер два из созвездия Лебедя после тщательного исследования оказалась двумя очень далекими галактиками, почти соприкасающимися одна с другой. Несмотря на то что эти звездные системы удалены от нашей на расстояние, которое луч света преодолевает за 300 миллионов лет, их радиоизлучение сравнимо с радиоизлучением Солнца, которое находится от нас на расстоянии восьми световых минут. Все это тем более удивительно, если вспомнить, что с удалением источника радиоизлучения поток принимаемых от него радиосигналов убывает обратно пропорционально квадрату расстояния!

Заметим, что отождествление радиозвезд с различными туманностями еще не завершено. Чтобы не перепутать радиозвезды, принадлежащие одному и тому же созвездию, договорились самую мощную космическую "радиостанцию" в данном созвездии обозначать латинской буквой "А", следующую за ней по мощности - буквой "В", и т. д. Так, например, на языке радиоастрономов "источник Лебедь А" означает, что речь идет о самой яркой радиозвезде из созвездия Лебедя - той самой, которая представляет собой две очень далекие, почти слившиеся галактики.

Постепенно в научном обиходе появился новый термин - "радиотуманности". Под этим словом понимают только те газовые туманности, которые служат источником мощного радиоизлучения. В отличие от радиотуманностей, "радиогалактиками" называют те из внегалактических туманностей, или, что то же, звездных систем, которые посылают в пространство мощные потоки радиоволн.

Радиоизлучение нашей Галактики не есть, однако, простая сумма или, точнее, совокупность радиоволн всех входящих в нее радиотуманностей. Наблюдения показывают, что радиоволны приходят к нам по всевозможным направлениям из любой точки неба. Есть, следовательно, некоторый непрерывный фон радиоизлучения Галактики, и на этом непрерывном фоне отдельными пятнами выделяются дискретные источники радиоволн. Что же создает непрерывный фон?

Как уже говорилось, основная масса газового и пылевого вещества сосредоточена близко к средней экваториальной плоскости нашей Галактики. Такую картину можно наблюдать и во многих других галактиках, где газово-пылевые туманности образуют нечто вроде "начинки" плоского звездного галактического "пирога". Так распределены в галактиках, похожих на нашу, не только туманности, но и непрерывная крайне разреженная газовая среда - уже знакомый нам межзвездный газ или, точнее, межзвездные газы. Вот именно они, независимо от туманностей, испускают радиоволны, которые и создают часть наблюдаемого непрерывного фона радиоизлучения Галактики. Ее, эту часть, называют, как мы уже говорили, плоской составляющей. Но есть и вторая, сферическая составляющая непрерывного радиоизлучения Галактики. Ее происхождение несколько иное.

По исследованиям советского астрофизика С. Б. Пикельнера, звездное ядро нашей Галактики окружает исполинская и очень разреженная газовая "атмосфера" почти сферической формы. Ее плотность должна быть раз в десять меньше плотности межзвездных газовых облаков (следовательно, в сотни миллиардов раз меньше плотности комнатного воздуха). Менее плотных образований, чем эта тончайшая газовая вуаль, окутывающая со всех сторон ядро Галактики, современная астрономия не знает.

Частицы газовой короны Галактики, как ее называют, движутся беспорядочно и очень быстро, со скоростями в десятки километров в секунду. Каждую такую частицу притягивает к себе не только ядро Галактики, но и масса ее звезд - чечевицеобразный "галактический диск". Однако благодаря очень большим скоростям частицы "выпрыгивают" из основной плоскости Галактики и могут подниматься над ней на весьма значительную высоту.

Если бы движение частиц было упорядоченным, а скорости меньшими, газовую корону Галактики постигла бы судьба межзвездного газа: она бы "сплющилась" к основной плоскости нашей звездной системы.

По современным представлениям, газовая корона и является источником сферической составляющей непрерывного радиоизлучения Галактики.

Как уже убедился читатель, во всех рассмотренных нами случаях радиоволны посылает газ. Это, однако, не означает, что процессы образования радиоволн в газе или, лучше сказать, газом во всех случаях одни и те же. Многое зависит от температуры газа, степени его ионизации и других свойств.

Известны три процесса, при которых газ может стать источником радиоволн.

Во-первых, всякий газ как-то нагрет и, как любое нагретое тело, излучает в той или иной степени радиоволны. В этом случае радиоизлучение газа называется тепловым.

Во-вторых, бывает и так, что газ представляет собой плазму, то есть он сильно ионизирован, и его можно рассматривать как беспорядочную смесь отрицательно заряженных электронов и несущих положительный заряд ионов. В плазме, как уже отмечалось, при некоторых внешних воздействиях могут возникнуть определенного рода колебания. Такие плазменные колебания служат источником нетеплового радиоизлучения газа.

В-третьих, мыслим еще один случай. Межзвездные газовые облака постоянно пронизываются ультрафиолетовым излучением звезд. Под действием ультрафиолетовых лучей и по другим причинам в межзвездных газовых облаках накапливается большое количество свободных, потерявших связь со своими атомами электронов. Их движение зависит не только от беспорядочных, или, как их называют, турбулентных, перемещений газовых масс. В весьма большой степени оно определяется магнитными полями, действующими в космосе.

В космосе магнитные поля встречаются буквально повсюду. Общеизвестно, что наша Земля подобна огромному магниту. Заметными магнитными полями обладают Солнце и многие из звезд. В какой-то степени, по-видимому, всем небесным телам присущ магнетизм.

Большую роль играют магнитные поля и в масштабе всей Галактики. В межзвездных газовых облаках магнитные поля очень сложны. Их силовые линии во всех направлениях пронизывают пространство, занятое газом.

Рис. 44. В межзвездном пространстве электроны стремительно летят по сложным спиралеобразным траекториям

Хорошо известно, что магнитные поля влияют на движение электронов, - вспомните школьный опыт под названием "Отклонение проводника с током в магнитном поле". Внутри межзвездного газа под действием магнитных полей электроны могут иногда разогнаться до скоростей, сравнимых со скоростью света. При этом электроны летят по сложным спиралеобразным траекториям, как бы "накручиваясь" на силовые линии магнитного поля. Для частиц, движущихся с околосветовыми скоростями, законы обычной, ньютоновской механики становятся недействительными. Здесь вступают в силу законы теории относительности. Вот почему сверхбыстрые электроны, летящие с околосветовыми скоростями, астрофизики называют релятивистскими^* электронами.

^* (Релятивный означает то же, что и относительный.)

Внутри газовых облаков и туманностей релятивистские электроны движутся ускоренно. Тогда при некоторых условиях, как показывают сложные расчеты, энергия их движения может переходить в энергию электромагнитных волн. Говоря проще, релятивистские электроны будут излучать радиоволны.

Где и какие из трех рассмотренных процессов осуществляются в действительности?

Доказано, что газово-пылевая "начинка" нашей Галактики дает непрерывное тепловое излучение - так создается плоская составляющая непрерывного фона. Что касается газовой короны Галактики, то в ней должны быть релятивистские электроны. Они-то и создают сферическую составляющую непрерывного фона радиоизлучения Галактики.

Механизм испускания радиоволн радиотуманностями различен. Одни из туманностей, как, например, знаменитая туманность из созвездия Ориона, посылают радиоволны теплового происхождения. Другие, как Крабовидная туманность, богаты релятивистскими электронами, и их радиоизлучение нетепловое.

Разные механизмы излучения радиоволн могут, конечно, сочетаться друг с другом. Одни и те же объекты (с примерами подобного рода мы уже знакомы) способны порождать и тепловые, и нетепловые радиоволны. Здесь, пожалуй, стоит отметить, что плазменные колебания не могут объяснить радиоизлучение газовых туманностей и межзвездного газа. Поэтому в конечном счете радиоволны, зарождающиеся внутри нашей звездной системы, имеют своей причиной в подавляющем большинстве случаев или переходы электронов внутри атомов, или ускоренное движение релятивистских электронов.

Радиоволны "просвечивают" Галактику

До сих пор мы встречались с небесными "радиостанциями", которые излучают радиоволны всех длин. Правда, приемная антенна радиотелескопа и приемник выделяли из всех этих волн только те, длина которых заключена в очень узком интервале. Но, меняя облучатель, можно было от того же источника уловить радиоволны другой длины, соответствующей приемным свойствам этого облучателя. Можно сказать, что все знакомые нам до сих пор космические источники радиоволн дают непрерывный спектр радиоизлучения. В этом их существенное отличие от искусственных радиостанций, созданных человеком, - станций, которые ведут радиопередачи всегда только на волнах вполне определенной длины.

Во всем этом можно усмотреть аналогию с оптическими явлениями. Если источником света служит твердое или жидкое раскаленное тело, а также газ при высоких давлениях и температуре, то такой источник света дает, как известно, непрерывный спектр - сплошную цветную радужную полоску с постепенным переходом цветов от фиолетового до красного. В этом случае источник света излучает электромагнитные волны всевозможных длин.

Но могут быть спектры и иного типа. Если, например, источником света является разреженный светящийся газ, то в спектроскоп мы увидим так называемый линейчатый спектр - ряд разноцветных ярких линий на общем черном фоне. Линейчатый спектр - своеобразный паспорт газа. Он совершенно однозначно определяет его владельца, так как каждый газ дает свои, только ему присущие спектральные линии. Таким образом, в отличие от раскаленных твердых тел, светящийся газ в обычных условиях излучает "не все, а только некоторые из электромагнитных волн, заключенные в очень узких интервалах длин.

Замечательно, что наряду с небесными "радиостанциями", дающими непрерывный спектр радиоволн, есть и такие источники космического радиоизлучения, радиоспектр которых вполне можно назвать линейчатым.

Впервые гипотеза о существовании подобных источников была высказана еще в 1944 году голландским астрофизиком X. К. ван де Хюлстом. Тогда еще начинающий молодой ученый, студент Лейденского университета, ван де Хюлст выступил на специальном научном собрании с докладом, в котором доказывал, что атомы межзвездного нейтрального водорода могут излучать радиоволны только определенной длины, близкой к 21 см.

В то время еще шла война, в оккупированной фашистами Голландии ученые были изолированы от остального научного мира, и поэтому идея ван де Хюлста не сразу получила широкую известность.

Когда в 1948 году И. С. Шкловский узнал о докладе голландского ученого, он весьма заинтересовался его идеей и решил детально обосновать ее строгими расчетами.

Межзвездная среда, как уже отмечалось, богата нейтральным водородом. Его атом состоит из протона, вокруг которого обращается единственный электрон. Не в пример планетам, обладающим определенными орбитами, электрон в атоме водорода может обращаться вокруг ядра (протона) по различным орбитам определенных радиусов. Если электрон внутри атома перескакивает с орбиты большего радиуса на одну из внутренних орбит, атом водорода при этом излучает электромагнитную волну вполне определенной длины. Вот почему оптический спектр раскаленного водорода является линейчатым.

Перескоки электрона с одной орбиты на другую - не единственный способ выделения энергии. Как известно, электрон и протон в атоме водорода вращаются вокруг некоторых осей, несколько напоминая волчки. Но ведь каждая из этих элементарных частиц несет на себе определенный электростатический заряд - положительный у протона, отрицательный у электрона. Непрерывно вращаясь, протон и электрон порождают магнитные поля и при этом начинают взаимодействовать один с другим как два крошечных магнитика. Вот это взаимодействие и приводит к смещениям самой маленькой по радиусу, "основной" орбиты электрона. Все такие смещения сопровождаются изменением энергетического состояния атома водорода, и атом при этом излучает радиоволны длиной 21 см.

Чтобы выяснить, могут ли радиотелескопы уловить радиоволны, посылаемые облаками нейтрального водорода, пришлось подсчитать, как часто каждый атом водорода излучает радиосигнал и каково их общее количество внутри нашей Галактики. Сложные расчеты, выполненные И. С. Шкловским, дали положительный результат. Несмотря на то что в среднем каждый отдельный атом водорода может испустить радиоволну длиной 21 см один раз в 10 миллионов лет, в нашей Галактике водорода достаточно много, чтобы его радиосигналы могли быть доступны для исследования. И, подобно тому как сначала Нептун был открыт "на кончике пера" вычислителя, а затем уж его удалось увидеть в телескоп, предсказания ван де Хюлста и И. С. Шкловского блестяще подтвердились. В 1951 году впервые радиотелескопы поймали радиоволны длиной 21 см - те самые, которые излучаются облаками межзвездного водорода. Это открытие было почти одновременно сделано тремя группами исследователей: в США, Австралии и Голландии.

Позже выяснилось, что разреженные облака межзвездного водорода заполняют исполинские спиральные ветви нашей звездной системы. Здесь его особенно много, хотя и между ветвями также простирается тончайшая водородная вуаль. Распределение нейтрального водорода в Галактике отражает ее спиральную структуру. Значит, наблюдая радиоизлучение межзвездных облаков водорода на волне 21 см, можно выяснить некоторые важные черты строения Галактики.

В этом отношении радиометоды лучше обычных, оптических методов. Лучи видимого света задерживаются темными межзвездными пылевыми облаками, которые тем самым маскируют истинное распределение звезд в пространстве. Для радиоволн космическая пыль - не препятствие. Радиоволны свободно пронизывают темные туманности и достигают Земли. Наблюдая Галактику в радиодиапазоне, мы приобретаем такую же "проницательность", как рентгенолог, видящий "насквозь" своего пациента.

Радионаблюдения позволяют узнать не только, как распределен водород в Галактике, но и с какой скоростью движутся в пространстве водородные облака. Это можно узнать, исследовав так называемый контур спектральной линии.

Каждая из линий линейчатого спектра не бесконечно узка и имеет некоторую, пусть небольшую, ширину. Вызвано это тем, что каждая спектральная линия образуется не одной волной, а целой пачкой электромагнитных волн почти одинаковой длины.

И в оптическом спектре, и в радиоспектре можно заметить, что спектральные линии не повсюду одинаково ярки. В середине, как правило, они несколько ярче, чем по краям. Найти контур спектральной линии - это значит изучить распределение яркости внутри нее. Зная же контур линии, можно вычислить скорость газов, которые эту линию излучают.

Наблюдения Галактики на волне 21 см привели к интересным результатам. Оказывается, облака нейтрального водорода в основном отмечают расположение спиральных ветвей.

Удалось определить, что средняя плотность водорода в ветвях составляет один атом в кубическом сантиметре пространства. Между ветвями плотность водородной среды примерно в десять раз меньше.

Рис. 45. Четыре различных галактики. Две галактики (внизу) имеют клочковатую структуру, видимо порожденную активностью их ядер

Интересно, что если концентрация звезд в пространстве с удалением от центра Галактики убывает, то межзвездная водородная среда ведет себя иначе. Максимальной плотности она достигает на расстоянии примерно 20 тысяч световых лет от галактического центра. В целом газовые массы Галактики составляют лишь около 2% ее общей массы. Остальное приходится на долю звезд.

Раньше полагали, что из ядра Галактики выходят две исполинские звездные спирали. По данным радионаблюдений, у нашей звездной системы есть несколько спиральных ветвей, имеющих в основном неправильную форму, далекую от формы идеальной математической спирали.

Когда с помощью радиотелескопов исследовали на волне 21 см туманность Андромеды и другие близкие галактики, то было установлено, что и внутри этих галактик облака нейтрального водорода также обволакивают их спиральные ветви. Эти ветви удалось проследить даже там, где они сходят на нет, где концентрация звезд так мала, что глаз ничего не видит. Радиотелескопы и здесь оказались "зорче" мощных рефлекторов.

"Водородный туман" нашей Галактики отнюдь не спокоен. По данным радионаблюдений, отдельные водородные сгустки беспорядочно движутся со скоростями, близкими к 8 км/сек. Но эти движения не портят общую картину. Удерживаемые какими-то силами не вполне выясненной природы, атомы нейтрального водорода все же в целом остаются в районе спиральных ветвей Галактики, участвуя в ее вращении вокруг общего центра тяжести.

В области галактического ядра голландские астрономы открыли быстродвижущиеся (до 200 км/сек) водородные массы. На расстоянии около 10 тысяч световых лет от центра Галактики есть огромное изогнутое облако газа, напоминающее кусок спиральной ветви, которое уносится от ядра со скоростью 54 км/сек. Чем вызваны все эти процессы, пока неясно. По-видимому, ядра галактик (и нашей, и других) - очаги каких-то процессов исключительной мощи, быть может связанных с образованием молодых звезд.

В 1959 году радиоастрономы Пулковской обсерватории открыли интересный факт. В самом центре нашей Галактики есть очень малое по размерам и исключительно плотное облако из ионизированного газа, являющееся мощным источником радиоволн. Поперечник этой "сердцевины" нашей звездной системы не превышает двух световых лет.

Замечательно, что в галактике из созвездия Андромеды открыто подобное очень малое "ядрышко", но имеющее не газовую, а звездную природу. Эти новые для нас структурные особенности галактик, по-видимому, играют большую роль в формировании звезд и межзвездной материи.

Радиоизлучение нейтрального водорода на волне 21 см имеет тепловую природу. Значит, оно должно быть свойственно и Солнцу, и планетам-гигантам, где водорода очень много. Но если поверхность Солнца посылает радиоволны длиной 21 см, то до Земли они все равно не дойдут, так как, если верить теоретическим расчетам, они должны полностью поглотиться в солнечной атмосфере. Другое дело планеты-гиганты, в особенности Юпитер и Сатурн. Их "водородные" радиосигналы вполне могут быть приняты на Земле, если только зеркало радиотелескопа будет иметь в поперечнике несколько сотен метров.

Кроме нейтрального водорода, и некоторые другие межзвездные газы могут давать линейчатый радиоспектр. "Просветив" Галактику "в лучах" нейтрального водорода, астрономы, естественно, хотят повторить такой эксперимент и для других веществ, что представляет собой значительный интерес для выяснения строения нашего великого звездного острова.

Помеха номер один

В XVIII веке в среде астрономов выделилась группа лиц, получивших вскоре наименование "ловцов комет". Это были настоящие энтузиасты науки, подчас даже не имевшие специального астрономического образования. Вооруженные небольшими телескопами, они долгие месяцы и годы тщательно осматривали звездное небо в надежде увидеть какую-нибудь новую комету. Их усердие превозмогало трудности. В конце концов почти каждому из них в течение жизни удавалось открыть незнакомую "хвостатую звезду", которой, по сложившейся традиции, присваивалось имя ее открывателя. Одним из наиболее неутомимых "ловцов комет" был французский астроном Шарль Мессье.

Большинство комет приходят к нам издалека, с окраин Солнечной системы. Когда впервые замечают новую, неизвестную комету, она даже в телескоп кажется крошечным, туманным пятнышком с более яркой сердцевиной. Лишь потом, с приближением к Солнцу, у комет образуются огромные хвосты, и некоторые из них становятся доступными для наблюдения невооруженным глазом.

Когда комета находится далеко от Солнца, ее легко спутать со светлым межзвездным облаком из пыли и газа. Внешне похожи на кометы (при наблюдениях в небольшие телескопы) и такие, на самом деле совсем иные по природе, объекты, как шаровые звездные скопления и другие галактики.

Для "ловцов комет" все кометообразные небесные объекты были досадными помехами. Открыв незнакомое туманное пятнышко, они должны были в течение нескольких часов следить, переместится ли подозрительное пятнышко среди звезд. Если движение обнаружено, значит, открыта новая комета. Если же пятнышко неподвижно, значит, это далекая туманность или звездное скопление.

Чтобы избавить себя и своих коллег от досадных недоразумений, Мессье решил составить перепись всех кометообразных объектов, указав их положение среди звезд. Так возник знаменитый каталог Мессье - самый первый каталог звездных скоплений и туманностей. Обозначения, введенные Мессье, сохранились и в современной астрономии. Например, яркое шаровое звездное скопление из созвездия Геркулеса обозначается символом М13, но иногда читается так: "Мессье 13". Соседняя к нам галактика из созвездия Андромеды числится в каталоге Мессье под номером 31 и поэтому обозначается как М31, и т. д. Из всех "помех", занесенных Мессье в свой каталог, нас интересует та, которая возглавляет его список.

"Помеха номер один", или, более сокращенно, M1, - удивительная газовая туманность, которую Мессье случайно открыл еще в 1758 году в созвездии Тельца при наблюдениях за одной интересовавшей его кометой. В небольшой телескоп она выглядит молочно-белым туманным овальным пятнышком. На фотоснимках, полученных с помощью сильных телескопов, туманность M1 из созвездия Тельца внешне несколько напоминает краба. За это сходство она и получила название Крабовидной туманности (см. рис. 18).

Расстояние от туманности до Земли огромно. Луч света преодолевает его лишь за 5000 лет. Установлено, что Крабовидная туманность состоит из двух взаимопроникающих частей - "размазанной" диффузной части и накладывающихся на нее причудливо изогнутых газовых волокон. Сеть волокон особенно хорошо заметна во внешних областях туманности и менее выражена в ее центральной части. Подсчитано, что примерно 95% света дает аморфная, бесформенная часть туманности и лишь остальные 5% приходятся на долю волокон.

Размеры Крабовидной туманности достаточно внушительны: ее поперечник близок к шести световым годам, что почти в полтора раза превосходит расстояние от Солнца до ближайшей к нему звезды - Альфы Центавра.

Сравнение фотографий туманности, полученных с интервалом в 20-30 лет, обнаруживает, что Крабовидная туманность расширяется во все стороны от своего центра. Скорость расширения огромна - свыше 1000 км/сек.

Зная скорость расширения туманности и ее видимые размеры, нетрудно подсчитать, что свыше 900 лет назад газы, составляющие туманность, были сжаты в очень небольшом объеме и Крабовидная туманность имела тогда ничтожные размеры. Что же заставило эти газы внезапно расшириться, да еще с огромной скоростью? Не произошел ли здесь какой-то чудовищный по своей мощности взрыв?

В поисках решения загадки придется обратиться к историческим хроникам. Не произошло ли на небе 900 лет назад какое-нибудь особенное явление, которое обратило на себя внимание древних астрономов?

Никто в прошлом, пожалуй, так точно и с такой тщательностью не регистрировал необыкновенные небесные явления, как древние китайские астрономы. В Древнем Китае астрономические наблюдения считались разновидностью государственной службы, и китайские астрономы несли личную ответственность перед императором за точность и достоверность сообщаемых ими сведений.

По единодушному утверждению древних китайских, а также и японских хроник в 1054 году, то есть 916 лет назад, в созвездии Тельца неожиданно засияла очень яркая, ранее никем не виданная "звезда-гостья". По блеску она превосходила Венеру и некоторое время была на небе третьим светилом после Солнца и Луны. Яркость ее была так велика, что необыкновенную звезду видели даже днем, а по ночам освещенные ею предметы отбрасывали заметные тени. Около полугода "гостила" на небе удивительная звезда. Затем блеск ее стал постепенно ослабевать, и наконец она вовсе как бы растворилась в черной бездне неба.

Древние китайцы очень точно отметили расположение на небе "звезды-гостьи". Оказалось, что она вспыхнула как раз в той точке неба, которая в настоящую эпоху является центром Крабовидной туманности. Разумеется, это совпадение совсем не случайно. Туманность и звезда связаны одна с другой. Несомненно, что удивительная звезда при своей вспышке породила Крабовидную туманность, которая и поныне продолжает расширяться от нее во все стороны.

Астрономам уже давно известны вспыхивающие звезды. Их наблюдали еще в древности, и уже тогда для обозначения этих "временных" светил был введен весьма неудачный термин "новая звезда". Можно, впрочем, найти оправдание древним астрономам. Ведь они не видели новую звезду до ее вспышки и, не имея телескопов, не могли проследить за ней после того, как она исчезла для невооруженного глаза.

На самом деле, как мы теперь знаем, новые звезды существовали и до вспышки, как продолжают существовать и после нее. Просто на некоторых звездах, к числу которых, к счастью, наше Солнце не принадлежит, время от времени происходят своеобразные взрывы. Из недр звезды сразу, внезапно выделяется накопившаяся там ядерная энергия, и чудовищно возросшее давление света сбрасывает со звезды ее внешние атмосферные оболочки. В этот катастрофический период своей жизни новая звезда чудовищно раздувается, "распухая" так, что ее поперечник становится большим, чем диаметр орбиты Марса. Сбросив с себя внешние газовые оболочки, новая звезда затем сильно сжимается и снова на некоторый срок (десятки или сотни лет) возвращается к спокойному ритму жизни.

Вокруг многих "бывших" новых звезд найдены небольшие газовые туманности, расширяющиеся в разные стороны, как Крабовидная туманность. Происхождение этих туманностей ни у кого не вызывает сомнений.

То, что произошло в созвездии Тельца свыше 900 лет назад, напоминает вспышку новой звезды. Напоминает во всем, кроме одного - масштаба явления. Взрыв в созвездии Тельца был несравненно мощнее тех взрывов, которые переживают обычные новые звезды. Как уже говорилось, современные астрономы называют звезды, подобные вспыхнувшей в созвездии Тельца, сверхновыми звездами.

Хотя Крабовидная туманность несомненно состоит из разреженных газов, ее спектр не линейчатый, а непрерывный. Если говорить более строго, то спектр Крабовидной туманности есть наложение одного на другой двух спектров: яркого непрерывного спектра и гораздо более слабого - линейчатого. Первый порождается аморфной, "размазанной" частью туманности, а второй - ее газовыми "щупальцами".

Если судить по спектру газовых волокон, их температура не превосходит 10 тысяч градусов. Аморфная же часть туманности раз в пятнадцать горячее. Трудно понять, какие причины заставляют мирно "сосуществовать" два газовых облака, разность температур которых близка к 140 тысячам градусов! Между прочим заметим, что расширяется сеть волокон, которые движутся сквозь почти неизменную аморфную часть.

Крабовидная туманность - один из самых загадочных объектов неба, и без помощи радиоастрономии мы бы еще долго не раскрыли многих ее тайн.

На "радионебе" Крабовидная туманность считается "радиозвездой" номер три - по мощности посылаемых ею радиосигналов она уступает только источникам в созвездии Кассиопеи и Лебедя. Радиоизлучение Крабовидной туманности имеет нетепловой характер. По мнению И. С. Шкловского, его можно объяснить следующим образом.

При взрыве сверхновой звезды в 1054 году выброшенные ею газы двигались очень быстро и беспорядочно. Облака этих газов оказались намагниченными, то есть каждое из них обладало некоторым собственным магнитным полем. Из-за хаотичности движения отдельных газовых сгустков в Крабовидной туманности магнитные поля получились очень сложными, а их силовые линии причудливо запутанными.

Температура взрыва была весьма высока, и взорвавшаяся звезда выбросила в пространство большое количество свободных электронов. Очутившись внутри Крабовидной туманности, они, взаимодействуя с ее магнитным полем, разгонялись вдоль силовых линий и в конце концов приобрели скорости, близкие к световой. Запутанность магнитных силовых линий привела к тому, что релятивистские электроны надолго оставались внутри туманности. Вот эти-то стремительно блуждающие электроны и порождают радиоизлучение Крабовидной туманности.

Непрерывный спектр аморфной части туманности вызван все теми же релятивистскими электронами. Среди них может найтись сравнительно небольшое количество особенно быстрых электронов, энергия которых достаточна для излучения видимого света. При обычных условиях, как, например, в межзвездной газовой среде, таких "сверхбыстрых" электронов нет. Но при том чудовищном взрыве, который переживает сверхновая звезда, эти электроны вполне могли образоваться.

Несмотря на удивительные особенности, Крабовидная туманность все-таки не может считаться совершенно уникальным объектом. Взрывы сверхновых звезд хотя и редко, но все же происходят и поныне. По современной статистике, в каждой галактике в среднем через 100-300 лет вспыхивает одна сверхновая звезда. Вполне естественно поэтому предположить, что по крайней мере некоторые из радиотуманностей нашей Галактики были образованы когда-то вспыхнувшими сверхновыми звездами.

Чтобы убедиться в этом, астроном на некоторое время должен превратиться в историка. В старинных хрониках, в древних рукописях ему надо разыскать, не появлялась ли когда-нибудь "звезда-гостья" в интересующем его участке неба.

Эти поиски таят в себе много увлекательного и могут привести к интересным открытиям.

Вот, например, что нашли астрономы в 294-м томе Энциклопедии китайского ученого Ма Туан-лина, жившего в XIII веке нашей эры:

"В период Тай-Хэ, в четвертый год, во вторую луну, была видна необыкновенная звезда возле западной стены Синего Дворца. В седьмую луну она исчезла".

В этой лаконичной записи разобраться нелегко. Пришлось затратить немало сил, чтобы расшифровать загадочный текст древнекитайской хроники. Оказалось, что "вторая луна четвертого года периода Тай-Хэ" соответствует марту 369 года нашей эры. "Седьмая луна" означает август того же года, а таинственный "Синий Дворец" - это круг на небе, ограничивающий область незаходящих звезд. Зная широту места наблюдения, нетрудно было вычислить размеры этого круга. Указание "возле западной стены" в сочетании с моментом наблюдения позволило приближенно указать то место неба, где вспыхнула необыкновенная звезда. Одно время считалось, что древняя китайская хроника рассказала о вспышке яркой звезды в 369 году в созвездии Кассиопеи. Действительно, как помнит читатель, именно в этом созвездии и находится самый мощный источник космического излучения. Теперь, однако, доказано, что Кассиопея А связана с другой сверхновой звездой, вспыхнувшей около 1700 года.

Отождествление радиотуманностей с остатками сверхновых звезд еще только начинается, и несомненно астрономов ждут новые открытия. Было бы все же неправильно думать, что все радиотуманности связаны со сверхновыми звездами. Многие туманности, в том числе и знаменитая газовая туманность из созвездия Ориона, излучают радиоволны теплового происхождения, которые удобно изучать в сантиметровом или дециметровом диапазоне. Но, конечно, наибольший интерес вызывают те туманности, которые излучают нетепловые радиоволны. В этих радиосигналах всегда удается различить следы грандиозных процессов, сопровождающихся неизмеримо большим выделением энергии. А ведь именно в таких процессах кроются главные загадки мироздания.

Природа радиогалактик

Из нескольких тысяч дискретных источников радиоизлучения подавляющее большинство находится за пределами нашей звездной системы. Однако отождествление их с. какими-нибудь конкретными галактиками - дело очень непростое. На фотоснимках, полученных с помощью мощных современных телескопов, запечатлены миллионы галактик. В некоторых областях неба галактик видно больше, чем. звезд, а так как наиболее далекие из звездных систем на негативе получаются крошечными, невыразительными серыми пятнышками, трудно отличимыми от звезд, то читатель поймет, что разобраться в этом множестве миров нелегко. Тем более что радиотелескопы всегда указывают не на конкретную точку неба, а на довольно большой его участок, где сразу видны десятки галактик и звезд.

Рис. 46. Радиогалактика из созвездия Центавра

И все-таки астрономам удалось найти несколько галактик, обладающих исключительно мощным радиоизлучением.

Еще в 1946 году трое английских астрономов обнаружили в созвездии Лебедя очень мощный источник радиоизлучения. Так как прием велся на волне 4,7 м, можно было подозревать, что уловленные космические радиоволны имеют нетепловое происхождение.

Долгое время Лебедь А, как назвали эту "радиозвезду", не удавалось отождествить с каким-нибудь конкретным космическим объектом. В том месте неба, откуда приходили радиоволны, виднелось несколько десятков самых обычных звезд. Только в 1951 году с помощью самого мощного в мире 5-метрового рефлектора удалось запечатлеть на фотопластинке нечто необычное - два почти слившихся овальных светящихся пятнышка, разделенных темной полосой. По спектру нашли, что эти две очень тесно расположенные галактики удалены от Земли на расстояние 300 миллионов световых лет. И все-таки из этой невообразимой дали они посылают радиоволны, сравнимые по своей воспринимаемой на Земле мощности с мощностью почти рядом с нами находящегося Солнца.

Американские астрономы Бааде и Минковский высказали гипотезу, что источником Лебедя А являются две столкнувшиеся галактики. Только такой грандиозной катастрофой можно, по их мнению, объяснить мощность наблюдаемого радиоизлучения.

Поясним, что столкновение галактик вовсе не выражается в соударениях составляющих их звезд. Расстояния между звездами в галактиках огромны, и поэтому столкновение отдельных звезд крайне маловероятно. Никакой массовой гибели миров при столкновении галактик не происходит.

Но в таких галактиках, как наша, между звездами есть непрерывная разреженная газовая среда. Когда, сталкиваясь, галактики проходят одна сквозь другую, наполняющие их газы в буквальном смысле соударяются между собой. При столкновении со скоростью около 1000 км/сек газы нагреваются до очень высокой температуры. В них возникают мощные вихри и быстрые движения раскаленных ионизированных газов, что приводит к значительному усилению межзвездных магнитных полей. Часть свободных электронов разгоняется в этих полях до околосветовых скоростей, и газовые облака обеих галактик становятся мощными источниками радиоволн.

Гипотеза американских ученых, несмотря на внешнюю привлекательность, вызывает серьезные возражения. Советские астрономы В. А. Амбарцумян, Б. А. Воронцов-Вельяминов и И. С. Шкловский подвергли ее серьезной критике.

Во-первых, далеко не очевидно, что Лебедь А состоит из двух галактик. Нередко встречаются галактики почти сферической формы, пересеченные посредине темной полосой космической пыли. С очень большого расстояния, когда подробности рассмотреть невозможно, такая галактика покажется двойной, так как темная полоса сольется с черным фоном неба. Не это ли мы наблюдаем в созвездии Лебедя?

Во-вторых, известны галактики, заведомо столкнувшиеся одна с другой, но они "молчат": никаких радиосигналов о совершающейся катастрофе от них не поступает.

В-третьих, прямые спектральные исследования показывают, что оба светлых пятнышка Лебедя А или неподвижны относительно друг друга, или движутся со скоростью не больше 100-200 км/час, что совершенно недостаточно для образования в раскаленных столкнувшихся газовых облаках релятивистских электронов. Допустим, что в созвездии Лебедя наблюдают все же не одну, а две галактики. Тогда, зная расстояние до них и видимый блеск обеих галактик, нетрудно подсчитать, какое на самом деле количество света излучают эти звездные системы. Оказывается, что обе они - галактики-гиганты, намного превосходящие нашу галактику. Подобные галактики - большая редкость. Предположить, что столкнулись, да еще "в лоб", такие исключительные и редкие звездные системы, - это значит допустить невероятное.

Все факты говорят, что гипотеза Бааде и Минковского не соответствует действительности. Чем же тогда вызвано необыкновенно мощное радиоизлучение некоторых галактик?

В созвездии Девы есть "радиозвезда" - Дева А. Ее отождествляют с одиночной, но не совсем обычной галактикой. Как правило, спектр галактик напоминает сильно ослабленный солнечный спектр - непрерывную радужную полоску с темными поперечными линиями. Центральная часть галактики Дева А имеет спектр излучения (яркие разноцветные линии на черном фоне), что свидетельствует о наличии там газа. Удалось установить также, что газовые массы истекают из ядра галактики со скоростью около 300 км/сек.

На фотоснимках, сделанных астрономами, хорошо видна главная особенность галактики Дева А. Из ее ядра тянется какой-то загадочный выброс, несколько напоминающий разбившуюся на капли струю жидкости. Длина выброса огромна - около 15 тысяч световых лет. Характерно, что спектр выброса непрерывный, совсем такой же, как у аморфной части Крабовидной туманности. Значит, по-видимому, и загадочный выброс состоит из быстродвижущихся намагниченных газовых масс, богатых релятивистскими электронами.

По мнению В. А. Амбарцумяна, в галактике Дева А происходит процесс деления ее первоначального ядра на две части. Таинственный выброс - это второе ядро новой, зарождающейся галактики. Трудно пока сказать, какие силы заставляют делиться ядро галактики, но совершенно несомненно, что эти силы должны обладать исключительной мощью.

Идеи В. А. Амбарцумяна, таким образом, прямо противоположны гипотезе Бааде и Минковского. Не сталкивающиеся, а, наоборот, разделяющиеся галактики - вот источники мощных радиоволн, приходящих к нам из глубин Вселенной.

К таким же выводам, независимо от В. А. Амбарцумяна, пришел и И. С. Шкловский. Он указал, что и другие далекие источники радиоволн, как, например, Центавр А, Гидра А и Геркулес А, состоят из двух близких галактик, по-видимому переживающих стадию деления. Такова же, по его мнению, и природа источника Лебедь А.

В процессе деления из ядер галактик выбрасываются огромные намагниченные массы газов. Постепенно они обволакивают собой обе делящиеся галактики и даже распространяются далеко за их пределы. Именно поэтому радиоволны испускаются не только делящимися галактиками, но и веществом в их ближайших космических окрестностях.

В ядрах галактик, где звезды расположены особенно густо, сравнительно часто происходят вспышки сверхновых звезд. По современным представлениям, при каждой такой вспышке образуются тяжелые химические элементы и в окружающее пространство выбрасывается большое количество сверхбыстрых релятивистских электронов.

Рис. 47. Стадии деления ядер галактик. Этот процесс сопровождается мощным радиоизлучением

По всей вероятности, все галактики, в том числе и наша, на заре своей истории переживали стадий разделения ядра и в те времена обладали очень мощным радиоизлучением. Но потом разделившиеся галактики расходятся в разные стороны, бурные процессы, порождающие радиоволны, постепенно затихают, и галактики становятся обычными, спокойно стареющими звездными системами.

Именно такую спокойную старость, а скорее - зрелость переживает сейчас наша Галактика. Она в целом, конечно, излучает радиоволны - вспомните, что говорилось о радиоизлучении нашей Галактики, но все ее "радиосигналы", даже вместе взятые, в миллион раз менее мощны, чем те потоки видимого света, которые испускаются звездами Галактики. Таким же "спокойным", обычным радиоизлучением обладает и наша соседка - туманность Андромеды.

По предложению И. С. Шкловского, "радиогалактиками" стали называть не все галактики, а только те, которые обладают особым, исключительно мощным радиоизлучением. Все, что мы пока знаем о радиогалактиках, заставляет думать, что их радиосигналы повествуют о грандиозных процессах рождения миров, о своеобразном "размножении" галактик, которое совершалось не только в отдаленном прошлом, но, по-видимому, происходит и в наше время.

Квазары и квазигалактики

Внешность, как известно, бывает обманчива. Ну кто мог подумать, что эта слабенькая, почти неприметная звездочка 13-й звездной величины, теряющаяся в звездной россыпи ночного неба, окажется одним из самых удивительных объектов космоса! Да и другие четыре подобных звездообразных объекта, еще меньшей яркости, до 1963 года считались самыми обыкновенными звездами.

На них и до сих пор не обратили бы внимания, если бы из этих пяти точек небосвода не исходило необычно сильное космическое радиоизлучение. К 1963 году радиотелескопы стали достаточно "зоркими", их разрешающая способность достигла секунды дуги, и они совершенно определенно указывали именно на эти загадочные звездообразные объекты.

Поначалу этих источников насчитывалось всего пять.

В новейшем каталоге космических источников радиоизлучения они числились под обозначениями ЗС48, ЗС147, ЗС196, ЗС273 и ЗС286. Все попытки измерить видимые размеры этих объектов сначала кончались крахом - они казались неуловимо малыми, практически точечными. Уж если говорить о радиозвездах, то в данном случае такое наименование казалось наиболее подходящим.

Но это не звезды. Если бы Солнце можно было удалить на расстояние ближайшей звезды, то его радиоизлучение ослабло бы в 100 миллиардов раз и стало бы просто неуловимым. Тем более неощутимо для современной радиотехники радиоизлучение всех других, еще более удаленных обычных звезд. Поэтому загадочные точечные источники радиоизлучения решили назвать квазизвездными радиоисточниками или, сокращенно, квазарами.

Рис. 48. Один из квазаров отмечен черточками. Многие из квазаров внешне сходны с обычными звездами

Первые пять квазаров достаточно ярки и в видимых лучах для того, чтобы сфотографировать их спектр. Но когда получили спектры квазаров, потребовалось почти два года, прежде чем этим спектрам удалось дать разумное, правдоподобное истолкование.

Внешне они совсем необычны. На сравнительно ярком фоне непрерывного спектра выделялись яркие эмиссионные линии. Значит, источник непрерывного спектра окружен газом. Но что это за газ - вот вопрос, над решением которого астрофизики трудились около двух лет. Линии были расположены так, что их никак не удавалось отождествить со спектром какого-нибудь известного химического элемента.

А разгадка получилась совсем неожиданной. Оказалось, что главные наиболее яркие линии принадлежат водороду - самому обильному элементу космоса. Но только эти линии необычно сильно оказались смещенными к красному концу спектра, и именно потому, что их наблюдали не на своем месте, они долгое время оставались неузнанными. После этого уже без особого труда и другие линии в спектре квазаров удалось отождествить с линиями ионизированного кислорода и магния - элементов, типичных для газовых туманностей.

Мысль исследователей работала дальше. Если в спектре квазаров красное смещение исключительно велико, то это может быть вызвано одной из двух причин: или квазары необычайно массивны и тогда (так получается по теории относительности) в их спектре все линии должны быть значительно смещены к красному концу, или квазары - внегалактические объекты и они, подобно галактикам, удаляются с огромной скоростью от Земли. Тогда красное смещение в их спектрах объясняется хорошо известным эффектом Допплера и вызвано оно огромной скоростью их удаления. Попробуем проанализировать обе эти возможности.

Допустим, что квазары - сверхмассивные или сверхплотные образования. Расчеты показывают, что спектр с очень сильным красным смещением может дать нейтронная или гиперонная звезда поперечником 10 км и плотностью 10¹⁵ г/см³. Но если в этом случае мы наблюдаем крошечную нейтронную звезду как сравнительно яркий объект 13-й звездной величины, то это могло бы быть лишь в том случае, если бы нейтронная звезда находилась не дальше чем на расстоянии 0,3 светового года от Солнца, то есть фактически внутри нашей Солнечной системы. Тогда при массе, близкой к солнечной, нейтронная звезда так сильно нарушила бы своим тяготением стройное движение планет, что эти нарушения смог бы заметить даже Кеплер! С другой стороны, как вы помните, толщина атмосферы нейтронной звезды ничтожно мала (несколько десятков метров!). Такая атмосфера никак не может дать заметных линий излучения, которые мы наблюдаем в спектре квазаров. Наконец, ни один из квазаров не обнаруживает заметного параллактического смещения при обращении Земли вокруг Солнца. Учитывая точность современных методов, можно сделать вывод, что квазары весьма далеки от Солнца - расстояние до них не меньше 60 тысяч световых лет. Тогда, зная, что светимость небесного тела тем больше, чем больше его масса, получаем, что масса квазаров (судя по их значительной видимой яркости) должна быть неправдоподобно большой.

До открытия квазаров считалось, что все звезды имеют сходные массы (при огромных различиях в размере). Объяснялось это тем, что каждая звезда должна быть устойчивым образованием: тяготение, заставляющее звезду стягиваться к ее центру, в нормальной, обычной звезде уравновешивается газовым давлением (упругостью газа!) и световым излучением, как бы "распирающим" звезду изнутри.

При очень больших массах (в сотни раз больше солнечной) звезда становится неустойчивой. Сильно возросшее излучение разваливает такую сверхмассивную звезду на части с достаточно малой массой, чтобы быть устойчивыми. Вот почему считалось, что сверхмассивных звезд существовать не может.

Вывод этот нельзя, однако, считать всегда и безоговорочно верным. Несколько лет назад теоретические расчеты зарубежных астрофизиков показали, что при очень больших массах (например, в миллионы раз превосходящих солнечную) наступает качественно новое явление. На этот раз тяготение настолько мощно, что оно сдерживает разрывающее звезду излучение. Мало того, тяготение становится главной, практически единственной силой, определяющей судьбу сверхмассивной звезды. Под его действием звезда, переживает так называемый гравитационный коллапс, сжатие. Она спадается внутрь себя наподобие рухнувшего карточного домика, приобретает фантастическую плотность в 1030 г/см³. Крупинка в тысячу раз меньше булавочной головки при такой плотности весила бы 10¹⁸ т, что не идет ни в какое сравнение даже с плотностью нейтронных звезд! При этом происходят явления совершенно необычайные, плохо укладывающиеся в нашем отягощенном земным опытом сознании.

К этим чудесам природы мы еще вернемся, а сейчас подчеркнем главное. Если бы квазары находились внутри нашей Галактики и были при этом объектами, переживающими гравитационный коллапс, тогда бы мы наблюдали явления, несравненно более грандиозные, чем те, которые фактически совершаются на земном небе.

Короче говоря, есть много убедительных доводов (мы привели лишь некоторые) в пользу того, что квазары находятся за пределами нашей Галактики и красное смещение в их спектре вызвано их стремительным удалением от Земли (у квазара ЗС9 скорость удаления равна примерно 80% скорости света). Но если это так (в чем теперь уж никто не сомневается), то отсюда неизбежно следуют головокружительные выводы.

Галактики подчиняются так называемому закону Хаббла: чем дальше галактика от Земли, тем быстрее она от нее удаляется, причем красное смещение в спектре галактик пропорционально их расстоянию от Земли. Следовательно, по красному смещению в спектре галактик можно вычислить, как далека данная звездная система от нашей планеты. Естественно считать, что процесс разбегания охватывает все объекты вне нашей Галактики, в том числе и квазары. Но тогда по красному смещению в спектрах квазаров можно вычислить их удаленность от Земли. Результаты получились поразительными.

До квазара ЗС273 - 2 миллиарда световых лет. Квазар ЗС48 еще вдвое дальше. И вообще большинство квазаров (а их с 1965 года открыто около 200) - самые далекие из доступных нам объектов космоса. И, несмотря на это, с чудовищных, не поддающихся наглядному представлению расстояний квазары светят столь ярко, что некоторые из них можно увидеть даже в небольшие телескопы! Это означает, что светимость квазаров необычайно велика, что каждый квазар излучает света примерно в сто раз больше, чем все полтораста миллиардов звезд нашей Галактики вместе взятые!

Мы не знаем иных причин столь высокой светимости, как только необычайно большая масса вещества - ведь излучать электромагнитные волны в конечном счете может только вещество. Может быть, тогда квазары - обычные галактики, только гораздо более массивные, чем наша или туманность Андромеды? Но такое, казалось бы, естественное предположение отпадает по двум причинам.

Рис. 49. Квазар ЗС273

После того как открыли квазары, многие из них удалось найти и на старых снимках, сделанных десятки лет назад. Изучая эти старые негативы, А. С. Шаров и Ю. Н. Ефремов заметили, что с 1896 года по 1963 год видимая яркость квазара ЗС273 колебалась в пределах 0,7 звездной величины. К подобным выводам пришли и американские исследователи, причем в конце концов выяснилось, что блеск квазаров заметно меняется иногда на протяжении месяца или даже недели. Но тогда квазары никак не могут быть галактиками.

Любой процесс распространяется со скоростью, не большей скорости света. Следовательно, если в каком-нибудь районе галактики начался процесс, возбуждающий повышенное излучение, то он распространится на всю галактику только через тысячи и десятки тысяч лет - ведь таковы поперечники звездных систем в световых годах. Не могут же, в самом деле, все звезды галактики, как по команде, но без всякой физической связи одна с другой, увеличить или уменьшить свою яркость!

Отсюда вывод: поперечники квазаров не превосходят нескольких световых недель, что, конечно, несравнимо с размерами даже самых маленьких из карликовых галактик.

С другой стороны, как это ни удивительно, удалось выявить детали строения некоторых квазаров - такова мощь современной астрономической техники. Как уже говорилось, яркие эмиссионные линии в спектре квазаров показывают, что по крайней мере внешняя часть этих объектов представляет собой горячий газ. Этот газ движется во все стороны со скоростью 2000-3000 км/сек - только этим можно объяснить необычную ширину, размазанность ярких линий в спектре квазаров. Однако он продолжает окутывать "ядро" квазара, дающее непрерывный спектр. Значит, тяготение, удерживающее газ, очень велико и масса центральной части квазара никак не меньше сотни миллионов солнечных масс.

На некоторых снимках различимы туманности, окутывающие квазары или, точнее, являющиеся их частью. Возможно, что они имеют волокнистую структуру, подобно Крабовидной туманности, и можно сказать наверняка, что радиоизлучение квазаров вызвано сверхбыстрыми релятивистскими электронами как туманности, так и загадочного центрального тела квазара.

Замечательно, что и ультрафиолетовые лучи квазары излучают весьма мощно. Во всех диапазонах электромагнитного спектра (и видимом, и невидимых) квазары, без сомнения, - самые мощные излучатели космоса. Их необыкновенная расточительность показывает, что жизнь квазара (или стадия квазара в жизни какого-то небесного объекта) не может быть очень продолжительной - не хватит "пороху", точнее, вещества. Возможно, что квазары могут существовать не более нескольких миллионов лет - срок, в тысячи раз меньший возраста Земли.

Что же такое квазары, чем объяснить их удивительные свойства?

Четкого, окончательного ответа пока нет. Есть лишь несколько более или менее правдоподобных гипотез.

Если верить одной из них, то квазар - это серия одновременных взрывов огромного числа сверхновых звезд. В центральных областях галактик, где звезды расположены гораздо гуще, чем в окрестности Солнца, взрыв одной сверхновой звезды вызовет взрыв соседней, к ней близкой. Произойдет нечто вроде детонации или цепной реакции, и... образуется квазар!

Гипотеза эта малоубедительна. Ничем не доказано, возможна ли такая цепная реакция вообще. Наблюдаемое строение квазаров также плохо вяжется с таким предположением. Есть и другие причины, заставляющие искать иные объяснения.

Пусть образовалось (мы, правда, совсем не знаем, как это могло получиться) тело с массой в сотни миллионов или миллиарды солнечных масс. Оно должно немедленно сжаться (коллапсировать) с выделением чудовищно большого количества энергии - порядка 10⁶⁰ эрг. Чем сильнее сжимается тело, тем заметнее проявляется тяготение на его поверхности. С некоторого момента оно начинает даже влиять на излучение, сильно смещая все линии к красному концу спектра. Наконец наступает момент, когда фотоны не могут вовсе покинуть тело, удерживающее их своим тяготением. В этом случае вся энергия излучения полностью расходуется на преодоление тяготения, и для внешнего наблюдателя тело становится невидимым!

Тут уж "невидимость" полная, абсолютная. Когда тело излучает в основном невидимые гамма-лучи или радиоволны, его все-таки можно обнаружить, использовав соответствующие приемники излучения. А вот у тела, переживающего гравитационный коллапс, наступает момент, когда оно теряет связь с внешним миром, как бы проваливается в какую-то "гравитационную могилу" и становится ненаблюдаемым для любых приемников излучения.

Впрочем, смягчим ситуацию. Спавшееся в коллапсе тело все же наблюдаемо - ведь осталась его масса. Значит, не видимое ни в каких лучах тело все же будет проявлять себя действием своего тяготения.

Теория относительности доказывает, что при коллапсе могут твориться чудеса, но, конечно, чудеса реальные, а не воображаемые или мистические. Суть доказательств сложна, выводы же доступны для понимания, хотя они как будто и противоречат пресловутому "здравому смыслу".

Для воображаемого наблюдателя, помещенного на поверхность коллапсирующего тела, и для какого-либо внешнего наблюдателя время будет течь по-разному. Внешнему наблюдателю будет казаться, что сжатие до предельно возможной плотности продолжается как угодно долго, вечно (сначала оно идет очень быстро, а потом все медленнее и медленнее). Наблюдатель же на коллапсирующем теле по своим часам отметит, что тело сжалось до предельной плотности за несколько десятков минут. Любопытно, что, прежде чем внешний наблюдатель станет для внутреннего невидимым, перед этим последним в течение нескольких мгновений в необычайно ускоренном темпе пройдет все будущее внешнего наблюдателя!

Охотно соглашаюсь - все это трудно понимаемо, но тем не менее описанные "чудеса" непременно произойдут, лишь бы совершился коллапс.

Гипотеза о коллапсе имеет несомненные достоинства - только она способна объяснить чудовищное энерговыделение квазаров. Но и у нее есть слабые места. Мы не знаем, как, по каким причинам, в результате каких процессов могут возникать тела с массой в миллионы и миллиарды солнечных масс. Откуда могло взяться такое количество вещества, если во всей нашей Галактике общая масса межзвездного газа и пыли вряд ли в сотню миллионов раз превосходит массу Солнца. С другой стороны, резко сжимаясь, тело должно настолько ускорить свое вращение, что разрыв его на части представляется неизбежным. Стоит ли перечислять другие трудности, приводящие нас в недоумение? Нет, надо честно признаться, что мы еще плохо понимаем, что такое квазары.

Обратимся теперь к квазигалактикам, или, как их называют сокращенно, квазагам, - объектам, в некоторых отношениях похожим на загадочные квазары. У тех и у других есть ряд общих физических черт, да и истории открытия весьма сходны.

Несколько лет назад (в 1965 году) астрофизики обратили внимание на странные голубоватые звездочки с резко усиленной ультрафиолетовой частью спектра. Вскоре выяснилось, что это вовсе не звезды, а внегалактические тела, излучающие свет столь же расточительно, как и квазары. Как и у квазаров, размеры этих источников оказались небольшими, и теперь за ними утвердилось наименование квазизвездных галактик, или, сокращенно, квазагов.

Пожалуй, только в одном квазаги отличаются от квазаров: у них нет никакого сколько-нибудь заметного радиоизлучения. Возможно, что квазагов гораздо больше, чем квазаров. Ныне складывается впечатление, что каждый квазаг на непродолжительное время становится квазаром, то есть сверхмощным источником космического радиоизлучения.

Астрономы Бюраканской обсерватории во главе с академиком В. А. Амбарцумяном связывают квазары и квазаги с еще одним типом объектов - галактиками, отличающимися большой активностью их ядер.

Пример такой галактики - далекая звездная система, обозначенная в каталогах символом М82 (см. рис. 45. Галактика М82 - в нижнем левом углу). Снимок сделан в лучах водорода, и на нем четко выделяются волокна, как щупальца, вытянувшиеся из центрального ядра. Невольно даже по первому внешнему впечатлению можно прийти к выводу, что в этой галактике, удаленной от нас на 25 миллионов световых лет, совершаются какие-то необычайно бурные процессы.

Так оно и есть. Спектр галактики М82 совершенно недвусмысленно показывает, что вещество волокон растекается от ядра со скоростью около 1000 км/сек. По-видимому, где-то в ядре этой галактики несколько миллионов лет назад произошел мощнейший взрыв, породивший стремительное истечение водорода.

Волокнистостью своей структуры галактика М82 несколько напоминает Крабовидную туманность. А вот у галактики М87, вдвое более далекой, чем М82, наблюдается странный мощный выброс из ядра. Цвет его голубой, а длина составляет несколько десятков тысяч световых лет.

Галактика М87 - один из самых мощных радиоисточников на земном небе. А теперь сравните галактику М87 (она же Дева А) с фотоснимком квазара ЗС273. Похоже? Опять выброс, опять мощное радиоизлучение.

Стоит добавить, что бюраканский астрофизик Б. Маркарян недавно доказал, что у некоторых галактик ядра намного голубее, чем у остальных обычных звездных систем. Здесь напрашивается параллель с голубым выбросом галактики М87. Но ведь голубизна в таких случаях вызывается повышенным ультрафиолетовым излучением объекта, а это, в свою очередь, порождено какими-то весьма активными космическими процессами.

Пока что не вполне четко, как бы в тумане, вырисовывается следующая картина. В центральных областях галактик сосредоточены невидимые сверхплотные, начиненные колоссальными запасами энергии дозвездные тела. Их деление, их преобразование в наблюдаемый нами газ сопровождается мощнейшими взрывами, то есть резкими скачкообразными выделениями энергии. Если это так, то квазары, квазаги и галактики с весьма активными ядрами - это лишь звенья в цепи преобразования невидимого дозвездного вещества в видимые, знакомые нам космические объекты.

К сожалению, до сих пор в центре галактик мы не видим тел, которые с полным основанием можно было бы назвать дозвездными. Под ядром галактики понимают шарообразное сгущение звезд, окружающее ее геометрический центр. Но это, повторяем, тесное скопище обычных звезд, не более. В центре ряда галактик, в том числе и нашей, замечены ядрышки (или керны, как их иначе называют). Например, в туманности Андромеды ядрышко выглядит ослепительно ярким, а поперечник его невелик - около 40 световых лет. Вращается оно вокруг оси как твердое тело, завершая полный оборот за полмиллиона лет. Масса ядрышка примерно в 13 миллионов раз больше массы Солнца.

Ясно, что ни о какой сверхплотности ядрышек галактик говорить не приходится. Во всяком случае, это не дозвездные тела.

К сожалению, здесь следует поставить точку. Несмотря на стремительный прогресс астрофизики и радиоастрономии, мы еще далеки от полного понимания всего, что происходит в звездном мире.

Поиски невидимых дозвездных тел продолжаются.

На пороге неведомого

Как заметил один ученый, область знания подобна кругу с непрерывно возрастающим радиусом. То, что нам достоверно известно, заключено внутри круга. Все, что вне его, - область пока еще не изученного. Чем больше "круг познания", тем длиннее его окружность, то есть граница соприкосновения с неведомым, тем больше нерешенных проблем возникает перед учеными. Увеличение знаний влечет за собой и увеличение загадок природы. И это вполне естественно - ведь Вселенная неисчерпаема во всех отношениях, и чем глубже мы ее познаем, тем больше ощущаем ее безграничность.

В области астрономии радиотелескопы являются самыми "дальнозоркими" инструментами. Они "видят" гораздо дальше оптических телескопов. Если допустить, что самые слабые из тех дискретных источников радиоволн, которые расположены за границами нашей Галактики, имеют ту же природу, что и Лебедь А, то можно подсчитать, что они удалены от Земли примерно на расстояние 25 миллиардов световых лет! Иначе говоря, радиотелескопы почти в 25 раз "дальновиднее" самых мощных из рефлекторов.

Таков радиус доступной ныне наблюдению части бесконечной Вселенной. Представить себе его наглядно вряд ли удастся.

В объеме мирового пространства, доступного изучению, заключены миллионы галактик. Их характерной и загадочной особенностью, имеющей, правда, редкие исключения, является знаменитое красное смещение.

В спектре почти всех галактик, как это ни удивительно, линии смещены к красному концу, причем тем сильнее, чем дальше от нас находится данная звездная система. Получается странная картина: вся система галактик расширяется в пространстве, как бы распухает. При этом, как нетрудно сообразить, взаимные расстояния всех галактик увеличиваются. Значит, с любой из них (в, том числе и с нашей) будет казаться, что все остальные разбегаются в разные стороны именно от нее.

Красное смещение было впервые замечено еще в 1929 году. Оно настолько поразило ученых, что возникли даже подозрения, не вызвано ли красное смещение каким-нибудь неизвестным физическим эффектом, а не разбеганием галактик. Выдвигались даже гипотезы о старении фотонов - тех порций, которыми излучается световая энергия. Думали, что на фотоны при их полете в мировом пространстве действуют силы тяготения небесных тел, благодаря чему энергия фотона постепенно растрачивается. Чем больший путь пролетел фотон, тем больше энергии он потерял, тем более он "дряхл" и "стар". Но "старение" фотонов выражается в покраснении образуемых ими лучей света - отсюда и эффект красного смещения.

Расчеты опровергли, однако, эту интересную гипотезу. Она не смогла, как и другие подобные предположения, объяснить с количественной стороны известные факты.

Рис. 50. Макет строящегося в СССР крупнейшего в мире 6-метрового телескопа-рефлектора. С его помощью астрономы проникнут в новые, пока недоступные глубины мироздания

В 1954 году было сделано важное открытие. В двух ближайших к нам звездных системах, называемых Магеллановыми Облаками, с помощью радиотелескопов обнаружили нейтральный водород - тот самый, который "ведет радиопередачу" на волне 21 см. Позже излучение на той же волне было принято и от других, гораздо более далеких галактик.

Появилась интересная возможность проверить эффект красного смещения для радиоволн. "Радиогалактики", как уже говорилось, дают непрерывный радиоспектр, по которому скорость галактики не определишь. Те же галактики, которые содержат нейтральный водород (среди них есть и "радиогалактики", в частности Лебедь А), дают линейчатый радиоспектр, очень удобный для поставленной задачи.

В 1956 году впервые было измерено смещение "радиолинии" нейтрального водорода. Все получилось, как и для видимых лучей: линия "21 сантиметр" была смещена в сторону более длинных радиоволн, как раз на величину, которая соответствовала скорости галактики, определенной оптическим методом.

С тех пор отпали всякие сомнения в реальности, разбегания галактик - ведь для радиоволн "эффект старения" физически недопустим, как и другие подобные эффекты.

Означает ли это, что расширяется вся Вселенная, весь бесконечный мир небесных тел, как это считают некоторые зарубежные ученые? Нет, такой вывод лишен всяких оснований. Распространять на всю бесконечную Вселенную свойства, известные только для ее весьма ограниченной части, - это значит допускать ничем не оправданный произвол.

Расширяется, и, может быть, лишь временно, только Метагалактика - та великая материальная система, в которой роль звезд играют отдельные галактики. Что делается за ее пределами, пока неизвестно. Но только пока. Пройдут десятилетия, а может быть, лишь годы, и астрономия проникнет в такие глубины мироздания, где будут, вероятно, обнаружены другие метагалактики, ведущие себя, возможно, иначе, чем наша. Предсказать конкретно, какие открытия сделают тогда ученые, было бы слишком смело. Ведь бесконечно многообразная природа уже не раз дарила ученым такие неожиданности, о которых они и не мечтали.

Реликтовое излучение

Реликтом мы называем вещь, явление или организм, сохранившиеся до наших дней от прежних эпох. Широкой известностью пользуются реликтовые рощи на черноморском полуострове Пицунда. В морях иногда вылавливают целаканта - рыбу, представляющую собой живое наследие мезозойской эры. Можно говорить о реликтовых формах рельефа. Но что такое реликтовое излучение?

Разбегание галактик, расширение Метагалактики есть бесспорный, наблюдаемый факт. Но если с каждой секундой Метагалактика "распухает" все больше и больше, то это означает, что в прошлом ее размеры, по-видимому, были гораздо меньшими, чем теперь. Не исключено, конечно, что Метагалактика пульсирует и эпохи ее расширения сменяются эпохами сжатия до определенного предела. Но вероятнее, что происходит другой процесс - одностороннее и, по-видимому, ничем не ограниченное расширение всей наблюдаемой системы галактик, всей доступной наблюдению части Вселенной.

Есть возможность проверить, какой из этих двух процессов происходит на самом деле. Если Метагалактика и в прошлом только расширялась, то, очевидно, процесс расширения когда-то имел начало ив тот начальный момент вещество, из которого сформировались позже галактики и звезды, должно было находиться в сверхплотном состоянии. Чудовищный взрыв, мощнее которого мы ничего не знаем (и причины его, увы, неизвестны), ознаменовал появление Вселенной или, осторожнее говоря, той ее части, которую мы называем Метагалактикой.

Физики-теоретики немало потрудились, чтобы возможно нагляднее представить себе это возникновение Мира. Строились разные схемы, высказывались предельно смелые гипотезы, но все они сходились в одном: до появления Метагалактики породившая ее материя находилась в необычном, с нашей точки зрения, состоянии - вещество было сверхплотно, температура исключительно велика, а излучение необыкновенно интенсивно.

Если все было на самом деле так, то от тех древних эпох, удаленных от нас примерно на 10 миллиардов лет, должны остаться какие-то реликты. По всей вероятности, ими будут "осколки" сверхплотного дозвездного вещества, доныне взрывообразно порождающего звезды и галактики. И, конечно, излучение, остатки того первичного "жара", который сопровождал возникновение Мира. Вот это древнее излучение и следовало бы назвать реликтовым.

Очевидно, если в природе на самом деле осуществляется второй вариант, то есть периодические пульсации Метагалактики, то все предыдущие рассуждения отпадают и никакого реликтового излучения вовсе не существует.

Еще в 40-х годах текущего века, когда астрономы изучали свечение межзвездных облаков циана, было замечено, что на это свечение всегда и повсюду влияет электромагнитное излучение с длиной волны около 3 мм. Тогда это открытие не было понято, и только теперь его значение оценено по заслугам.

В 1964-1965 годах американские радиоастрономы и инженеры с помощью специальной рупорной антенны и очень точной приемной аппаратуры обнаружили, что существует какой-то необъяснимый фон радиоизлучения, равномерно приходящий из всех точек неба. Вот эта равномерность и казалась загадочной - ведь она показывала, что источником радиоволн не могли быть какие-то отдельные космические тела. Длина волны таинственного радиоизлучения равнялась 7,3 см просто потому, что именно на эту волну был настроен приемник. Позже выяснилось, что и в других диапазонах есть все тот же повсюду одинаковый непонятный фон.

Как доказали И. Д. Новиков и А. Г. Дорошкевич, в загадочном излучении никак не может быть заподозрено ни одно известное небесное тело, ни даже все такие тела, вместе взятые. Тогда осталось одно - признать, что поймано реликтовое излучение, порожденное в эпоху возникновения Метагалактики. Можно подсчитать, какой температуре соответствует реликтовое излучение.

Она получилась равной 3° абсолютной шкалы. Не возникни наша Метагалактика в чудовищном взрыве, мировое пространство было бы "холоднее", чем теперь, "плотность излучения" в нем была бы заметно меньше той, которую мы фактически наблюдаем. Реликтовое излучение наблюдается в радиодиапазоне, но оно есть и для других длин волн, только там оно несравненно слабее.

Теперь, после открытия реликтового радиоизлучения, гипотезы о возникновении Метагалактики из какого-то сверхмассивного и сверхплотного сгустка выглядят более правдоподобно. Правда, детали и подробности этого процесса продолжают потрясать наше воображение. Скажем, первоначальная плотность вещества, из которого возник наш Мир, была не меньше 10⁹³ г/см³! Куда там плотность нейтронных звезд или квазаров! При таких сверхплотностях известные нам законы природы могут оказаться неприменимыми. Температура в первую секунду взрыва достигала 10 миллиардов градусов - нет средств сделать эту величину наглядной. Потом "накал" уменьшался, осколки сверхплотного сгустка превратились в галактики, продолжающие и ныне разлетаться в разные стороны. Где-то на исходе десятого миллиардолетия на крошечной планетке Земля появилось удивительное существо, способное осознать грандиозное становление Мира.

Взрывы, взрывы, взрывы... Как их много в космосе, как они часты и мощны! Рядовая солнечная вспышка равносильна одновременному взрыву тысяч водородных бомб. Но солнечные и звездные вспышки микроскопически малы по сравнению со взрывом сверхновой звезды. Но и это не предел мощи - квазары куда мощнее. Наконец, выясняется, что весь наблюдаемый нами Мир появился в результате какого-то сверхвзрыва, потрясшего Мироздание 10 миллиардов лет назад!

Та к ли обстоят дела в других частях Вселенной, мы не знаем. Но все эти бесчисленные взрывы разной мощи и масштаба заставляют нас сделать вывод, что доступная наблюдению часть космоса очень молода, она в буквальном смысле слова полна сил и энергии.

Мистериум - что это такое?

Наши представления о космосе были бы гораздо более скудными, если бы облака межзвездного водорода не посылали "радиосигналы" на волне 21 см и если бы радиоастрономы не сумели их расшифровать. Эти успехи вдохновили астрофизиков на поиски других "радиолиний", излучаемых межзвездным веществом.

Первые шаги в этом направлении были предприняты И. С. Шкловским еще в 1949 году. Длительные расчеты привели к выводу, что, кроме водорода, заметным для современных радиотелескопов радиоизлучением должны обладать молекулы гидроксила (ОН). Как известно, в земных условиях это химическое соединение кислорода и водорода крайне неустойчиво, и потому мы его нигде на Земле и не встречаем. Но в космическом пространстве, в условиях почти абсолютного вакуума, молекулы гидроксила могут не только существовать длительное время, но и заявлять о своем существовании достаточно интенсивным радиоизлучением. Однако, в отличие от водорода, молекулы гидроксила должны излучать не одну, а четыре радиолинии с очень близкими длинами волн: 18,00, 18,01, 18,57 и 17,24 см.

Предсказание это было сделано И. С. Шкловским в 1953 году, но лишь десять лет спустя американские радиоастрономы в спектре радиоисточника Кассиопея А нашли две слабые радиолинии из тех четырех, которые принадлежат молекулам ОН. Заметим, что это были линии поглощения, похожие на темные линии в оптических спектрах. И не мудрено: ведь Кассиопея А, как вы помните, - самый мощный радиоисточник на небе, и на его фоне радиоизлучение молекул ОН выглядит гораздо более слабым.

Позже нашли следы гидроксила и в радиоспектре источника Стрелец А. Интересно, что здесь радиолинии ОН оказались интенсивными и широкими. Это говорило о том, что в межзвездном пространстве есть быстродвижущиеся газовые облака, где концентрация молекул ОН весьма велика. Впрочем, в спектре других радиоисточников, таких, как Лебедь А и Крабовидная туманность, линий ОН и вовсе не обнаружили.

Все эти открытия, успехи и неудачи были бы, вероятно, интересны лишь для специалистов, если бы в феврале 1965 года не произошло неожиданное - в спектре одного из радиоисточников обнаружили линию излучения гидроксила.

А дальнейшие исследования показали, что очень тонкие и очень интенсивные линии излучения ОН присутствуют в радиоспектрах примерно половины всех радиоисточников, отождествляемых с газовыми туманностями. Что же, однако, сенсационного в этих открытиях, всколыхнувших весь ученый мир?

Если радиолиния узка и притом необычайно интенсивна, это означает, что температура источника излучения исключительно высока. Между тем газовым туманностям, в спектре которых нашли очень "яркие" линии ОН, никак нельзя было приписать такую температуру. Ситуация казалась настолько загадочной, что некоторые радиоастрономы усомнились в принадлежности странных радиолиний молекулам ОН. И они решили, что излучает их особое межзвездное вещество, для которого даже придумали название "мистериум", то есть "таинственное".

Снова повторилось то, что когда-то было в астрофизике. Необъясненные до поры до времени линии в спектре планетарных туманностей приписали особому элементу небулию, а не поддавшиеся легкому отождествлению линии в спектре Солнца - коронию. И то, и другое оказалось временным заблуждением: линии небулия, как выяснилось, порождались кислородом и азотом, а короний оказался многократно ионизированным железом.

На этот раз загадка мистериума продержалась недолго. Уже спустя несколько месяцев после открытия таинственных, необычайно интенсивных радиолиний было доказано, что они могут принадлежать только молекулам ОН и ничему другому. Но броское наименование сохранилось, и до сих пор под "мистериумом" понимают всю совокупность очень странных, загадочных явлений, сопровождающих радиоизлучение молекул гидроксила.

Поразительные открытия следовали одно за другим. Оказалось, излучение гидроксила плоско-поляризовано, то есть колебания в радиоволне совершаются в одной плоскости. Ничего похожего в других радиоисточниках никогда не наблюдалось. Потом был открыт в излучении ОН и другой тип поляризации, еще более удивительный для естественных источников, - так называемая круговая поляризация. И то и другое явления обычно порождаются магнитными силами. Но магнитное поле, найденное в источниках мистериума, оказалось непомерно малым, и потому загадочная поляризация радиоизлучения, по-видимому, вызвана какими-то другими причинами.

Исследователей ждал и еще один сюрприз, требующий несколько более подробного пояснения. Каждая радиолиния, как и каждая вообще спектральная линия, имеет, как говорят, определенный профиль. Внутри самой линии интенсивность неодинакова - к краям она, как правило, уменьшается, а в середине бывает наибольшей. На обычных спектрограммах профиль линии можно узнать с помощью фотометра. Профили радиолиний изучают, применяя высокочувствительные радиотелескопы.

Все эти профили легко сделать наглядными. По горизонтальной линии отложим длины волн, по вертикальной - интенсивность излучения (светового или в радиодиапазоне). Тогда форма графика и покажет "профиль" данной линии.

Обычные линии излучения в оптическом спектре газовых туманностей имеют постоянные профили, зависящие от свойств туманности. А вот профили радиолиний ОН в некоторых туманностях вопреки ожиданиям оказались переменными: они заметно менялись за короткие сроки, иногда чуть больше месяца! Все это казалось совершенно необычайным: ведь газовые туманности имеют протяженность иногда в десятки и сотни световых лет, и если излучение радиолиний ОН порождено туманностью, то каким образом изменения в состоянии туманности смогли охватить всю ее быстрее, чем свет - самое быстрое в природе? Чтобы усилить это недоумение, добавим, что в некоторых случаях отдельные детали профилей радиолиний ОН изменялись день ото дня! Но отсюда следует, что источники мистериума имеют размеры, не превышающие световых суток. А это - 3·10¹⁵ см, что всего в 200 раз превышает расстояние от Земли до Солнца и всего лишь вдвое превосходит поперечник нашей планетной системы!

Прямые наблюдения с помощью мощных радиоинтерферометров подтверждают эти выводы. Один из источников мистериума, связанный с туманностью W3 (таково ее условное обозначение), оказался очень небольшим - его видимый поперечник не превосходит полторы секунды дуги. Более того, выяснилось, что он состоит из нескольких отдельных конденсаций, видимые размеры которых составляют всего 0,005 секунды дуги. Судя по спектру, эти конденсации движутся относительно одна другой со скоростью, близкой к 70 км/сек. Учитывая расстояние до туманности W3 (5000 световых лет), нетрудно подсчитать, что истинные размеры загадочных конденсаций во всяком случае значительно меньше размеров нашей планетной системы.

Всю эту цепь, казалось, невероятных, но твердо установленных фактов можно объяснить только одним: в космосе действуют мазеры - квантовые генераторы электромагнитных колебаний!

О лазерах, этих удивительных квантовых генераторах, способных посылать очень узкие пучки света, в которых сосредоточено колоссальное количество энергии, за последние годы написано много увлекательных книг и статей. К этой литературе мы и отсылаем читателя, интересующегося техническими подробностями устройства современных лазеров.

Но мазер - это, в сущности, тот же лазер, тот же квантовый генератор, но действующий не в оптической части спектра, а в невидимом глазом радиодиапазоне.

Получается странная картина. То, что совсем недавно стало техническим открытием человека, оказывается, давным-давно существует в природе, да к тому же и в масштабах, несравнимых с земными. Ведь эти далекие космические мазеры, работающие на молекулах гидроксила, посылают радиоизлучение такой мощности, что мы его можем обнаружить с расстояний в сотни, тысячи световых лет! Напрашивается вопрос: а не сигналы ли далеких "братьев по разуму" воспринимают наши радиотелескопы?

Сейчас ищут различные естественные объяснения мистериуму. Так и должно быть. Прежде чем обратиться к гипотезе о внеземных цивилизациях, надо поискать более простые объяснения - ведь, в конце концов, разумом, неизмеримо более высоким, чем наш, можно объяснить что угодно!

Как считает И. С. Шкловский, мистериум, быть может, вызван излучением небольших, но достаточно плотных конденсаций межзвездного вещества, то есть, иначе говоря, зарождающимися звездами. Есть и другие гипотезы, объясняющие хотя бы отчасти загадки мистериума^*.

^* (Подробнее см. статью И. С. Шкловского в журнале "Наука и жизнь" № 11 за 1967 год.)

Но все это пока лишь догадки, прочно еще не подтвержденные.

Пульсары - новая загадка космоса

Пульсары... Еще одно странное словечко, совсем недавно вошедшее в научный обиход. Но за ним, возможно, скрывается величайшее открытие века...

Летом 1967 года в Кембриджской радиоастрономической обсерватории вступил в строй новый высокочувствительный радиотелескоп. И вскоре этот инструмент зафиксировал какие-то странные радиосигналы, исходящие из созвездия Лисички, близкого к яркой звезде Вега. Пожалуй, мы не оговорились, назвав принятое радиоизлучение сигналами. Оно было действительно очень странным, и его трудно объяснить какими-либо естественными процессами.

Радиоизлучение оказалось пульсирующим, потому его источник и был назван пульсаром. Каждый цикл длился фантастически малое время - всего 1,3373 сек! Не случайно период колебаний указан с точностью до четвертого знака после запятой. Он отличался удивительным постоянством, хотя иногда на короткий срок пульсар как будто прекращал свою работу. Говоря определеннее, выглядело все это так.

На протяжении каждого цикла в течение 0,2 сек длина волны принимаемого излучения увеличивалась от 3,70 до 3,75 м, затем наступала пауза, длящаяся почти 1,1 сек, а потом начинался новый цикл. А иногда бывало и так, что радиосигналы прекращались на несколько минут, чтобы затем снова возобновиться, причем строго с прежним периодом 1,3373 сек. И этот период оставался неизменным в течение полугода непрерывных наблюдений.

За шесть месяцев Земля успела перейти в противоположную точку своей орбиты. Иначе говоря, земные наблюдатели за этот срок переместились в пространстве на огромное расстояние в 300 миллионов километров. Если бы пульсар находился недалеко от Земли, полет нашей планеты вокруг Солнца непременно сказался бы в изменении видимого расположения пульсара на небе. Но и первый из открытых пульсаров, и остальные десятки пульсаров, найденные в других точках небосвода, оказались практически неподвижными. Учитывая точность, с которой измеряли их положение, можно сделать заключение, что пульсары находятся от нас на расстояниях не меньше нескольких световых лет.

Когда спустя семь месяцев после открытия пульсаров, в марте 1968 года, англичане наконец оповестили мир о существовании этих загадочных объектов, их наблюдения были продолжены и в других странах, в том числе и в Советском Союзе. Уловил радиосигналы пульсаров и крупнейший в мире 300-метровый радиотелескоп Аресибо. И тут снова подтвердили периодичность сигналов, причем отметили, что иногда длина принимаемых радиоволн в продолжение каждого цикла меняется в пять раз. Невольно создается впечатление, что из глубин космоса нам сигнализируют разумные существа, предусмотрительно меняющие длину волны так, чтобы она смогла быть наверняка пойманной приемниками, настроенными на разные волны! "Мысль о сигналах разумных существ приходит первой, - писал академик Я. Б. Зельдович^*, - но уверенность в том, что мы имеем дело с цивилизацией, обладающей разумом, должна приходить последней - только после того, как исчерпаны и отвергнуты другие объяснения".

В Солнечной системе известны явления, отдаленно напоминающие радиоизлучение пульсаров. Это так называемые пички - кратковременные всплески радиоизлучения Солнца, обнаруженные советским радиоастрономом В. В. Виткевичем более десяти лет назад. Длятся эти всплески около секунды, и при этом слегка увеличивается длина излучаемых радиоволн. В чем причина пичков, пока неясно. В отличие от радиоизлучения пульсаров, в появлении пичков и в самих этих всплесках не наблюдается какой-либо строгой периодичности. Наконец, энергия излучения пульсара во многие миллиарды раз превосходит энергию пичков. Так что скорее всего здесь имеется лишь весьма отдаленное и чисто внешнее сходство, вряд ли проясняющее природу пульсаров. И до открытия пульсаров и после радиотелескопы нередко принимали импульсное радиоизлучение, то есть кратковременные "всплески", серии радиоволн. Но то были излучения земных радиолокационных и телевизионных станций, случайно попавшие на приемную антенну радиотелескопа. Здесь же сходное по характеру радиоизлучение исходит явно из космоса, от очень далеких космических объектов.

Может быть, радиосигналы посылаются с планет других солнечных систем? В этом случае, однако, при обращении планеты вокруг далекой звезды источник радиоволн должен то приближаться к земному наблюдателю, то удаляться от него. А это сразу сказалось бы в смещении радиолиний по знакомому нам принципу Допплера, то есть, иначе говоря, в периодических изменениях частоты принимаемого радиоизлучения. Такого эффекта нет, или, лучше сказать осторожнее, он пока не обнаружен.

Выходит, что пульсары, по-видимому, представляют собой одиночные объекты, не связанные с планетами других солнечных систем.

С другой стороны, по некоторым признакам получается, что пульсары принадлежат нашей Галактике - в этом, в частности, они отличаются от квазаров.

Как и в случае мистериума, радиоизлучение пульсаров поляризовано, и в этом можно усмотреть сходство пульсаров, например, с земными телевизионными станциями - вспомните, как важно правильно ориентировать антенну телевизора для того, чтобы принимаемое ею поляризованное искусственное радиоизлучение дало на экране наилучший эффект.

В оптические телескопы на месте пульсаров пока не обнаружены какие-нибудь необычные объекты. Так, скажем, в том месте созвездия Лисички, где находится первый из открытых пульсаров, видна слабая звездочка 18-й звездной величины, в действительности излучающая в тысячи раз меньше света, чем Солнце. Средний блеск этой звезды остается неизменным, а ее спектр, сфотографированный на Крымской астрофизической обсерватории, указывает на температуру в 4-5 тысяч градусов. Возможно, что это самая обычная красноватая карликовая звездочка, лишь случайно проектирующаяся на то место неба, откуда поступают на Землю загадочные радиосигналы.

Предложено немало гипотез, объясняющих радиоизлучение пульсаров естественными причинами. Из них пока, пожалуй, наиболее правдоподобны те, которые считают пульсары пульсирующими белыми карликами или нейтронными звездами.

Расчеты показывают, что у белых карликовых звезд вполне могут возникнуть периодические радиальные колебания. Не исключено, что в отдельных случаях период пульсации белого карлика окажется очень малым, порядка долей секунды.

Радиальные колебания звезды создают особые ударные волны в звездной плазме, что, в свою очередь, порождает радиоизлучение.

Хотя средний блеск звезды, отождествляемой с самым мощным из пульсаров, как уже говорилось, остается неизменным, одновременно с этим наблюдаются очень малые и весьма кратковременные периодические изменения ее блеска. Говоря конкретнее, за 0,0025 сек блеск звезды ритмично меняется на 4%, причем один период изменения видимого блеска совпадает с двумя периодами радиоимпульса. Согласитесь, что это повышает вероятность рассматриваемой гипотезы - ведь пульсирующий белый карлик непременно должен периодически менять свой видимый блеск!

По мнению И. С. Шкловского, наблюдаемая в оптические телескопы звезда двойная, состоящая из обычной небольшой, сравнительно холодной субкарликовой звезды (ее мы и видим) и обращающегося вокруг нее на близком расстоянии пульсирующего белого карлика (его мы непосредственно не видим, но колебания его блеска сказываются на общем блеске всей системы). Есть и другие гипотезы.

Так ли все это в действительности, пока неизвестно. В 1968 году серпуховские радиоастрономы во главе с В. В. Виткевичем обнаружили еще одну важную деталь: интенсивность радиоизлучения пульсаров меняется весьма сложным образом. Иногда на фоне одиночных маленьких импульсов появляются серии значительно больших импульсов. Более того, всего за несколько месяцев уровень излучения некоторых пульсаров заметно возрос, то есть "передачи" из космоса стали значительно мощнее.

Но "передачи" ли это, или какие-то еще не понятые нами естественные космические явления? Пока, повторяем, вопрос не решен, исследования пульсаров интенсивно продолжаются.