Вселенная. Жизнь. Разум - Наука (И.С. Шкловский)

конечно, не поверхность нейтронной звезды, а ее «атмосфера», вернее -
«магнитосфера», размеры которой в сотню раз больше размеров нейтронной
звезды.

Таким образом, в пульсарах имеет место ускорение заряженных частиц до

огромных энергий. Похоже на то, что эти частицы попадают из магнитосферы
пульсара в Крабовидную туманность и обеспечивают свечение последней.

Можно было бы еще много говорить о замечательных свойствах пульсаров.

Например, изучая поляризацию их радиоизлучения, как оказывается, можно опре-

делить напряженность межзвездного магнитного поля. Это, пожалуй, лучший из су-
ществующих методов определения этой важнейшей характеристики межзвездной
среды. Сложнейшие вопросы ставят пульсары и перед теоретиками. Так, внутрен-

ние слои пульсара должны находиться в сверхпроводящем и в сверхтекучем состоя-
нии. Для двух самых молодых пульсаров, находящихся в оболочках сверхновых,
наблюдались внезапные «сбои» в периодах, что неизбежно должно быть связано
с изменением периода вращения. Эти так называемые «звездотрясения», по-види-
мому, связаны с какой-то перестройкой внутренней структуры пульсаров. Их при-
рода, как и многое другое, касающееся пульсаров, пока неизвестна. Почему, напри-
мер, оптические кванты излучает только самый молодой пульсар NP 0532,
находящийся в «Крабе»? Похоже на то, что генерация заряженных частиц сверхвы-
соких энергий должна быстро затухать со временем, но почему? В гл. 8 мы немно-
го коснемся еще одного интересного аспекта, связанного с пульсаром в Крабовид-
ной туманности. О другом недавно появившемся методе изучения нейтронных

звезд речь будет также идти в гл. 8. А теперь мы перейдем к другой, не менее вол-
нующей проблеме.

Еще в конце тридцатых годов была доказана теорема, согласно которой давле-

ние газа в недрах звезды, лишенной источников энергии (например, внутри ней-
тронной звезды), не может уравновесить гравитационное притяжение наружных
слоев звезды, если масса последней превышает некоторый предел. Этот предел не
так уж велик и только немногим превышает 2,5 солнечной массы.

Но ведь масса первоначально образовавшейся из облака межзвездного газа

протозвезды может значительно превосходить этот предел. Что же будет тогда?
До последнего времени неявно принималось, что звезда в стадии красного гиганта
«сбрасывает» излишек массы тем или иным способом (см. гл. 4). Но ведь это совер-
шенно необязательно! Звезда не живое существо, и поэтому она не может точно
«помнить», сколько же именно ей надо сбросить с себя вещества, чтобы не попасть
в «неприятное положение»...

А положение такой звезды, выражаясь образно, мы вполне можем назвать не-

завидным. Так как перепад газового давления уже не может противодействовать
силе притяжения, наступит катастрофа: звезда начнет с огромной скоростью сжи-
маться, одновременно уплотняясь. Она будет как бы раздавлена собственным ве-
сом. За каких-нибудь несколько секунд звезда может превратиться в сверхплотную
«точку». Это явление, которое уже давно занимает умы теоретиков, получило на-
звание «гравитационный коллапс».

Но сожмется ли «коллапсирующая» звезда до точечных размеров? То, что бу-

дет написано ниже, неподготовленному читателю может показаться фантастикой.
И тем не менее это актуальнейшая, строго научная задача современной физики
и астрофизики. Итак, звезда будет быстро сжиматься, причем ее масса будет оста-
ваться неизменной. Очевидно, что при этом так называемая «параболическая», или,
как многие говорят в последние годы, «вторая космическая», скорость будет не-
прерывно расти по закону где r — радиус звезды. Для поверхности Солн-
ца параболическая скорость примерно 700 км/с. Если бы наше Солнце сжалось до
таких размеров, что его радиус стал равным 3 км (при этом его средняя плотность
была бы около 10

г/см

, что в 10 раз превышает плотность атомного ядра), то

параболическая скорость стала бы равной скорости света с. Вот тут-то и на-
чинаются чудеса! Вступают в действие законы общей теории относительности, при-

чем в сильнейшей степени. Прежде всего, в очень сильном гравитационном поле,

как известно, течение времени замедляется. Поэтому те несколько секунд, которые
требуются для катастрофического спада звезды в точку, отсчитал бы вообра-
жаемый наблюдатель, находящийся на сжимающейся звезде. Между тем при под-
ходе к упомянутому выше критическому радиусу, для которого (этот ра-
диус, пропорциональный массе тела, называется «шварцшильдовским»), время по
часам «земного наблюдателя» будет протекать все медленнее и медленнее и, нако-
нец, остановится, когда звезда сожмется до этого критического радиуса.

Поясним это важное обстоятельство следующим примером. Вообразим себе

астронавта, который летит в глубинах Галактики на звездолете. Улетая в космос,

он обязался каждую секунду посылать на Землю радиосигнал, который принимают
его оставшиеся друзья. Теперь представим себе, что он подлетает к затерявшейся

в просторах Галактики «спавшейся» звезде, радиус которой равен критическому

шварцшильдовскому радиусу. Он уже совсем близок к этому телу, и земные на-
блюдатели с удивлением и страхом замечают, что радиосигналы следуют один за
другим не через секунду, а реже. Вот уже между ними проходят минуты, затем
часы, годы, века. Наконец, сигналы перестают поступать совсем... А между тем

астронавт по с в о и м ч а с а м аккуратно, каждую секунду посылал сигналы!

Из этого примера, в частности, следует, что посторонний (например, земной)

наблюдатель никогда не увидит, что сжимающееся тело достигло своего шварц-
шильдовского радиуса. Из такого тела вообще не могут выходить ни излучение, ни

какие-либо частицы. Оно взаимодействует с окружающим миром только через гра-
витационное притяжение. Очень образно академик Я. Б. Зельдович называл такую
«сколлапсировавшуюся» звезду «гравитационной могилой». В последние годы та-
кие объекты получили не менее образное название — «черные дыры».

Живая наука дает, как мы видим, сюжеты для фантастических романов, с ко-

торыми не может сравняться самая пылкая фантазия романиста. Например, пре-

словутая «железная звезда» из «Туманности Андромеды» И. А. Ефремова выглядит
весьма наивно рядом с вполне реальной звездой, оказавшейся в «гравитационной
могиле».

Интересную аналогию можно провести между переходом от жизни к смерти

для каждого индивидуума и прохождением какого-либо объекта через шварцшиль-
довский радиус внутрь некоторой черной дыры. Подобно тому, как с точки зрения
в н е ш н е г о наблюдателя последнее событие н и к о г д а не произойдет, с точки
зрения индивидуума, вернее сказать, его «я», собственная смерть непредставима и
в этом смысле тоже н и к о г д а не п р о и з о й д е т . Следует отметить, что в этой
аналогии понятия «внутренний» и «внешний» как бы меняются местами. Если
в «астрономическом» случае мир с его пространственно-временными соотношения-

ми определяется в н е окружающих черные дыры шварцшильдовских сфер, то
в «психобиологическом» реальное сознание индивидуума находится в н у т р и него,

будучи неразрывно связанным с его «я». Автор был бы рад, если бы философы-
профессионалы развили эту аналогию с позиций диалектико-материалистического
учения о единстве противоположностей. Может быть, это прояснило бы некоторые
до сих пор нерешенные проблемы взаимоотношения индивидуума и окружающего
мира, частью которого он является. А пока как не вспомнить стихи Сельвинского,
написанные лет тридцать назад, в которых развивается близкая идея:

«... Подумайте: как это хорошо...

Нам только жить! Нигде и никогда

мы не увидим собственного трупа.

Мы умираем только для других,

но для себя мы умереть не можем —...»

Пока еще детальная теория гравитационного коллапса звезды не создана. Эта

теория должна учитывать и такие важные факторы, как, например, вращение
звезды и, наличие на ней магнитного поля. Это очень трудная задача, но уже сейчас,

например, ясно, что вращение звезды вокруг своей оси при некоторых условиях мо-

жет предупредить коллапс сжимающейся звезды. По причине сохранения враща-

тельного момента экваториальная скорость будет быстро расти, а это может при-
вести к сплющиванию сжимающейся звезды и разрыву ее (из-за действия
центробежной силы) на отдельные куски до того, как она достигнет шварцшиль-

довского радиуса. Поэтому достигнуть критических размеров сжимающаяся звезда

может только в том случае, если ее первоначальная вращательная скорость была
малой.

В принципе гравитационный коллапс может произойти не только со звездой

достаточно большой массы, но и с галактическими ядрами. Об этом речь будет ид-
ти в следующей главе.

Таким образом, финальная стадия эволюции звезд, которая наступает после

«выгорания» в их центральных областях ядерного горючего, существенным обра-

зом зависит от их массы. Однако при этом необходимо учитывать неизбежную по-
терю массы в процессе эволюции, а также вращение звезд.

Если масса звезды меньше некоторого предельного значения (которое немного

больше массы Солнца), конечным этапом эволюции будет образование белых кар-
ликов, превращающихся после остывания в «черные карлики». В действительности,

однако, в белые карлики могут превратиться и звезды со значительной массой. Хо-

рошим примером сказанному является знаменитый спутник Сириуса — исторически
первый открытый белый карлик. Так как сам Сириус представляет собой довольно
массивную звезду спектрального класса А, то его спутник, который успел сильно

проэволюционировать, превратившись в белый карлик, должен был вначале обла-
дать еще большей массой, по крайней мере в три раза превышающей массу Солн-
ца. Ибо время пребывания на главной последовательности тем короче, чем больше
масса звезды (см. табл. 2). Так как масса белого карлика — спутника Сириуса -

равна 0,9 солнечной, это может означать только одно: прежде чем превратиться
в белый карлик, спутник Сириуса потерял по крайней мере 70% своей массы.

Если первоначальная масса звезды находилась в пределах 1,2 — 2,5 солнечной

массы, «чистая» теория утверждает, что конечным результатом эволюции должно
быть образование нейтронной звезды. И здесь, однако, как, впрочем, и всегда, ре-
альная действительность оказалась богаче «чистой» теории. Один из двух пульса-
ров, отождествляемых с остатками вспышек сверхновых, несомненно образовался

после вспышки сверхновой II типа. Это видно по туманности, с которой он ото-
ждествляется. Но звезды, вспыхивающие как сверхновые II типа, имеют массу, зна-

аительно превышающую 2,5 солнечной! Как же быть? Похоже на то, что здесь ре-

шающую роль играет быстрое вращение вспыхнувшей звезды. По этой причине
при катастрофическом сжатии только самые внутренние области звезды, линейная
скорость вращения которых незначительна, превратились в нейтронную звезду,
между тем как основная масса в конце концов была выброшена в межзвездное

пространство.

Ну, а как быть с финальной стадией эволюции массивных звезд? Могут ли они

действительно превратиться в черные дыры? Так ли уж обязательно образование
нейтронных звезд после взрывов? Ведь при гравитационном коллапсе выделяется

огромная энергия, которая вполне может быть израсходована на выбрасывание ве-
щества с большой скоростью и на его нагрев? Другими словами, могут ли в ре-

зультате вспышки сверхновых в некоторых случаях образовываться черные дыры?
Общее количество пульсаров в нашей Галактике таково, что позволяет сделать вы-

вод, что почти все вспышки сверхновых приводят к образованию нейтронных звезд.

Тогда возникает вопрос: а как все-таки быть с черными дырами? Где их искать?

Белые карлики были обнаружены астрономами свыше полувека назад. Нейтронные
звезды (пульсары) были обнаружены около 20 лет назад. На очереди — последняя

и, может быть, важнейшая проблема заключительной стадии звездной эволю-
ции — обнаружение черных дыр. Похоже на то, что черные дыры (по крайней ме-
ре одна) уже обнаружены (см. дальше, гл. 8).

Мы теперь перейдем к совершенно другому вопросу: может ли наше Солнце

вспыхнуть как сверхновая звезда? Разумеется, для проблемы дальнейшего развития
жизни на Земле этот вопрос имеет очень серьезное значение: ведь такая вспышка

испарит все планеты земной группы. Как же отвечает на этот вопрос современная
астрофизика? Прежде всего, Солнце не может вспыхнуть как сверхновая II типа:
для этого у нее слишком мала масса. Речь может идти только о вспышке Солнца
как сверхновой I типа. Однако и эта участь не грозит Солнцу. Надежные расчеты
показывают, что для такого взрыва масса Солнца недостаточна.

Вспышки сверхновых — довольно редкое явление. Но Галактика существует так

долго, что за время ее эволюции подобных вспышек было достаточно много. Воз-

никает интересный вопрос: были ли в течение геологической истории Земли такие
эпохи, когда сверхновая вспыхивала сравнительно близко, например на расстоянии
ближайших к нам звезд? Другими словами, какова вероятность того, что одна из

ближайших к Солнцу звезд вспыхнет как сверхновая? Чтобы ответить на этот во-
прос, мы сейчас проделаем несложный расчет.

Примем, что одна сверхновая II типа вспыхивает где-нибудь в Галактике один

раз в 100 лет. Как уже говорилось, сверхновые этого типа вспыхивают в довольно
тонком слое около галактической плоскости. Толщина такого слоя не превышает
сотни парсек. С другой стороны, галактическая орбита Солнца целиком находится

(и в прошлом находилась) в пределах этого слоя. Введем в рассмотрение сфериче-
скую область радиуса R, окружающую Солнце. Отношение объема этой области

к объему всего галактического пространства, где вспыхивают сверхновые II типа,
составит

где r - радиус галактического диска, в пределах которого происходят вспышки,
d - его толщина. Это отношение объемов представляет собой вероятность того,
что при случайной вспышке одной сверхновой Солнце окажется от нее на расстоя-
нии, меньшем R, причем R должно быть меньше d.

Если одна вспышка сверхновой происходит в среднем за Т лет, то следует

ожидать «близкую» вспышку один раз в течение промежутка времени

Полагая г = 10 тыс. пк, d = 100 пк, R = 10 пк и Т= 100 лет, найдем, что t

= 750 млн лет. Время г, может быть и в несколько раз меньше, если учесть, что

значительная часть галактической орбиты Солнца находится в пределах спи-
ральных ветвей, где преимущественно вспыхивают сверхновые II типа. Проде-
ланный только что расчет показывает, что за всю историю Земли, насчитывающую

около 5 млрд лет, Солнце несколько раз находилось ближе, чем на расстоянии

10 пк, от вспыхнувшей сверхновой. Что же при этом* произойдет? Если бы в такие

эпохи на Земле жили разумные существа, они прежде всего увидели бы на небе не-
обыкновенно яркую звезду. Поток излучения от нее был бы в миллионы раз боль-
ше, чем от Сириуса — самой яркой из звезд. Все же он был бы в 10 тыс. раз мень-
ше, чем поток излучения от Солнца. Тем не менее освещенность, созданная такой

звездой ночью, была бы в сотню раз больше, чем от полной Луны, и эта звезда яр-
ко освещала бы ночной ландшафт нашей планеты.

Следует, однако, заметить, что поток излучения от вспыхнувшей звезды в уль-

трафиолетовой области спектра в десятки раз превосходил бы солнечный. Это вы-
звало бы значительную ионизацию верхних слоев земной атмосферы, однако не

привело бы к катастрофическим последствиям. Дело в том, что вся ультрафиолето-
вая радиация сверхновой была бы полностью поглощена земной атмосферой и до

поверхности Земли не дошла бы. Такая необыкновенной яркости звезда горела бы
на небе несколько месяцев, постепенно угасая. Вокруг звезды образовалась бы ту-
манность, которая, расширяясь, со скоростью несколько тысяч километров в 1 с,

захватила бы через несколько сот лет значительную часть неба. Ночное небо свети-

лось бы в линиях спектра, характерных для таких туманностей. Впрочем, это свече-

ние было бы довольно слабым, едва видимым невооруженным глазом. Через тыся-
челетия скорость расширения туманности значительно замедлилась бы из-за
постепенного торможения ее межзвездной средой. Солнечной системы расширяю-
щаяся туманность достигла бы примерно через 10 тыс. лет. После этого в течение
нескольких десятков тысяч лет Солнце и окружающие его планеты находились бы
внутри туманности — остатка вспышки сверхновой. Одна из таких туманностей
в созвездии Близнецов показана на рис. 21.

Какие можно ожидать эффекты при «погружении» Солнечной системы на

столь длительное время в «радиотуманность» — остаток вспышки сверхновой?

Прежде всего, плотность первичных космических лучей в окрестностях Земли уве-

личится во много десятков раз, так как «радиотуманности» «начинены» сверхэнер-

гичными частицами. Космические лучи в пределах радиотуманности распре-
делены довольно неравномерно и в отдельные периоды, длящиеся столетия,
плотность космических лучей в сотни раз будет превосходить современную.

К каким же последствиям может привести существенное увеличение плотности

первичных космических лучей, длящееся десятки тысяч лет? Безусловно, такое из-
менение окружающих земной шар условий должно иметь серьезные биологические
(точнее, генетические) последствия для ряда видов животных и растений, населяю-
щих нашу планету. Как известно, эволюция видов регулируется естественным отбо-
ром под влиянием различных физических условий окружающей среды. Однако до
сих пор при анализе такой эволюции совершенно не учитывались возможные изме-
нения со временем уровня жесткой радиации. Между тем естественный уровень ра-
диоактивности в приземном слое воздуха и в воде является одной из причин так

называемых «спонтанных мутаций» — внезапных, скачкообразных изменений раз-

личных биологических характеристик данного вида, передающихся затем по на-
следству. Увеличение частоты таких мутаций хотя бы в два раза может повлечь за
собой для некоторых видов животных и растений серьезные генетические послед-
ствия. Из радиационной биологии известно, что частота мутаций растет при облу-
чении животных и растений жесткой радиацией. Однако различные виды по-разно-
му реагируют на такое облучение. Так, например, для видов с коротким временем
цикла размножения в ряде случаев для возрастания частоты мутации вдвое тре-
буется увеличение дозы облучения в сотни и даже тысячи раз. Однако для долго-
живущих форм удвоение частоты мутаций требует увеличения дозы лишь

3— 10 раз.

Согласно существующим данным, средняя для Земли радиоактивность воздуха

в приземном слое составляет 0,12 Р (рентген) в год. На две трети эта радиоактив-
ность обусловлена «земными» факторами, прежде всего радиоактивностью земной
коры. Однако 0,04 Р в год дают космические лучи.

Отсюда следует, что если, например, интенсивность космических лучей повы-

сится раз в 30, то средний уровень ионизации в приземном слое увеличится прибли-
зительно в 10 раз. А это уже может иметь серьезные генетические последствия для
различных долгоживущих видов. Особенно уязвимы высокоорганизованные, сильно
специализировавшиеся виды животных со сравнительно незначительным количе-

ством особей. Для таких видов длительное, продолжающееся десятки тысяч лет по-

вышение уровня ионизации в окружающей среде в десятки раз может повлечь за

собой катастрофические последствия.

В 1957 г. автор совместно с В. И. Красовским высказал гипотезу, объясняю-

щую хорошо известное вымирание рептилий в конце мелового периода стойким
увеличением уровня космических лучей в десятки, а может быть, и сотни раз. Это
могло произойти, если «рядом», на расстоянии 5—10 пк от Солнца, какая-либо из
звезд вспыхнула как сверхновая.

Позже мы рассмотрим другие гипотезы о причинах массового вымирания ре-

птилий за Земле (см. конец гл. 14).

Не для всех видов живых существ длительное увеличение уровня жесткой ра-

диации должно быть губительным. Вполне могло случиться, что такое облучение

для ряда видов оказалось бы фактором, благоприятствующим эволюции. Высокий
уровень радиоактивности, обусловленный попаданием Солнечной системы в радио-
туманность — остаток достаточно близко вспыхнувшей сверхновой, мог быть
мощным фактором, стимулирующим само возникновение жизни из неживой мате-
рии. Хотя изучение вопроса о происхождении жизни на Земле в последние годы

значительно продвинулось, окончательного решения этой важнейшей и вместе

с тем труднейшей проблемы пока еще нет. В такой обстановке привлечение новых

идей и представлений может принести только пользу.

Представляется возможным, что вызванный космическими обстоятельствами

высокий уровень радиоактивности, имевший место в эпоху, отделенную от нас не-
сколькими миллиардами лет, мог стимулировать образование из простых органи-

ческих соединений сложных комплексов, из которых могла развиться жизнь на
Земле. ,

Таким образом, вспышки сверхновых звезд не только играют огромную роль

для возникновения и эволюции жизни во Вселенной (образование тяжелых элемен-
тов, уровень жесткой радиации, обусловливающий мутации), но и могут быть пер-
вопричиной образования живой субстанции из мертвой. Приходится только удив-
ляться, от какого сложнейшего сплетения различных независимых обстоятельств
может зависеть возникновение и развитие жизни во Вселенной.

В связи с затронутым вопросом остановимся еще на одном любопытном об-

стоятельстве. Уже свыше 30 лет в наблюдаемой картине распределения по небу яр-
кости космического радиоизлучения имеется одна пока необъяснимая деталь. Яр-
кость неба в радиолучах имеет явно выраженную тенденцию концентрироваться

к центральной линии Млечного Пути и к галактическому ядру (в созвездии Стрель-
ца). Однако это правило нарушает огромный, яркий (в радиолучах, разумеется)

«язык», тянущийся по небу поч-
ти перпендикулярно к Млечному

Пути. Он начинается в области
Млечного Пути, удаленной от

галактического центра прибли-
зительно на 30°, и простирается
почти до северного галактиче-
ского полюса. На рис. 28 схема-
тически приведена карта неба, на J
которой нанесены кривые, сое-
диняющие точки небосвода, где

«радиояркость» одинакова. Та-
кие кривые (называемые «изофо-
тами») дают наглядное пред-
ставление о распределении ярко-

сти радиоизлучения по небу.

На рисунке отчетливо видна концентрация яркости к полосе Млечного Пути.
В то же время видно, что левее галактического центра изофоты радиоизлучения
круто поднимаются вверх. Это и есть описанный «язык».

Среди гипотез, которыми в разное время пытались объяснить природу этой

аномалии в распределении яркости радиоизлучения, особого внимания заслуживает

гипотеза видного английского • радиоастронома Брауна. Согласно этой гипотезе,
«язык» — это радиоизлучающая оболочка сверхновой, вспыхнувшей о ч е н ь

б л и з к о от н а с несколько десятков тысяч лет назад. Так как эта оболочка уда-

лена на расстояние всего лишь 30 — 40 пк, то при ее линейных размерах 30—40 пк

она должна занимать огромную часть небосклона. Сказанное поясняет схема, при-
веденная на рис. 29. Эта гипотеза сталкивается с трудностью: никаких следов опти-

чески наблюдаемой туманности, которой
должна быть расширяющаяся оболочка
сверхновой, в этой части неба нет. Кроме
того, недавно в южной части неба как
будто бы была обнаружена деталь ра-

диоизлучения Галактики, весьма напоми-

нающая «язык». Присутствие в близких
окрестностях Солнца нескольких остат-
ков вспышек сверхновых, вспыхнувших
за последние несколько десятков тысяч
лет, представляется весьма маловероят-
ным. Если, несмотря на все указанные

выше трудности, дальнейшие исследова-

ния подтвердят гипотезу Брауна, то через несколько тысяч лет плотность космиче-
ских лучей в пределах Солнечной системы увеличится раз в 10. Может быть,
даже и нынешняя плотность космических лучей у Земли является аномально высо-

кой, нетипичной для «средних» периодов эволюции жизни на Земле...

Можно надеяться, что в ближайшем будущем эта увлекательная загадка кос-

мической физики будет решена методами рентгеновской, радио- и оптической
астрономии *).

<> Частота вспышек сверхновых по соседству с данной звездой может заметно

увеличиться, если звезда проходит через спиральный рукав Галактики. Спираль-

ные рукава представляют собой области повышенной концентрации звезд и меж-

звездной среды. Они вращаются вокруг центра Галактики с постоянной угло-

вой скоростью, не зависящей от расстояния до него. В то же время угловая

скорость орбитального движения звезд в Галактике меняется jc расстоя-
нием R от центра приблизительно обратно пропорционально R. В Галактике
имеется коротационная окружность, на которой обе скорости равны. Интересно,
что Солнце находится как раз на этой окружности. По-видимому, за время суще-
ствования Галактики оно не более чем один раз прошло через спиральный рукав.
Солнце, так же как и другие звезды, находящиеся вблизи коротационной окружно-
сти и расположенные вне спиральных рукавов, относительно более свободно от ка-
тастрофического воздействия вспышек сверхновых. Л. С. Марочник и Л. М. Мухин

выдвинули гипотезу, что коротационная окружность может бьггь своего рода «по-

ясом жизни» в нашей и других галактиках, в котором наиболее вероятно встретить

обитаемые, планеты, похожие на нашу Землю <>.

*) Недавно было показано, что в области «языка» наблюдается мягкое рентгеновское

излучение повышенной интенсивности. Так как такое излучение характерно для старых обо-

лочек сверхновых звезд, то гипотеза Брауна тем самым получила серьезное обоснование.

В гл. 4 рассматривался вопрос об эволюции звезд. Там было рассказано,

в частности, что красные гиганты «сбрасывают» свои наружные оболочки, посте-
пенно рассеивающиеся в межзвездном пространстве. Остается очень плотная горя-

чая звезда, которая, остывая, становится сначала белым, а в конце концов —
«черным» карликом. Все же в процессе эволюции звезда «возвращает» в межзвезд-

ное пространство значительную часть своей массы. Из этого газа будут образовы-
ваться более молодые звезды, которые в свою очередь также будут эволюциониро-

вать описанным образом. Следует еще раз подчеркнуть, что за время существова-
ния Галактики только сравнительно массивные звезды успели пройти весь свой
эволюционный путь.

При кругообороте вещества в Галактике (по схеме «межзвездный газ -->

-->звезды --> звезды + межзвездный газ») значительная часть его остается в звездном

состоянии в недрах «мертвых» белых карликов, нейтронных звезд и, возможно,
черных дыр. Кроме того, из-за ограниченности возраста Галактики звезды, образо-
вавшиеся даже в самую раннюю эпоху ее существования и имеющие массу меньше
солнечной, еще не успели «сойти» с главной последовательности. Следовательно,
они даже «частично» не успели вернуть в межзвездное пространство затраченное на
их образование вещество. Из сказанного следует, что количество межзвездной

среды в Галактике должно по мере ее развития у б ы в а т ь . Это важный вывод
о направлении развития нашей Галактики. Та же тенденция в развитии должна
быть и у остальных звездных систем.

В процессе кругооборота межзвездного газа непрерывно меняется его химиче-

ский состав — он «обогащается» гелием и тяжелыми элементами. Прежде чем вер-
нуться в межзвездную среду, газ длительное время находился в недрах звезд при
достаточно высоких температуре и давлении. В нем происходили термоядерные ре-
акции водородные и гелиевые. По этой причине химический состав его медленно
менялся: водород постепенно «выгорал», количество гелия росло, возрастало также

количество тяжелых элементов. Последние будут образовываться из-за реакции

6. Об эволюции галактик

и дальнейших реакций

С и

О с протонами и нейтронами. При таких реакциях

будут преимущественно образовываться изотопы

С и

О.

Однако необходимо подчеркнуть, что самые тяжелые элементы этим способом

«постепенного наращивания» образоваться не могут. Дело в том, что по мере тако-
го «роста» ядер путем присоединения к ним новых нуклонов они с неизбежностью
должны стать неустойчивыми ядрами радиоактивных изотопов некоторых элемен-
тов. Эти ядра распадутся до того, как к ним будет присоединен очередной нуклон.
Тем самым дальнейший процесс «утяжеления» ядра путем последовательного при-

соединения нуклонов будет остановлен.

Где же могут образовываться сверхтяжелые элементы? По современным пред-

ставлениям «тиглем», в котором «варятся» эти элементы, могут быть вспышки
сверхновых. По-видимому, при взрыве такой звезды происходят цепные реакции,
сопровождающиеся образованием весьма большого количества нейтронов. Не ис-
ключено, что столь большое количество нейтронов обеспечит последующий захват
ядрами двух и более нейтронов, так что промежуточные ядра не успевают рас-

пасться. После того как такие ядра быстро захватят очередной нейтрон, они станут
устойчивыми, и дальнейший рост их будет уже идти без помех. Так могут обра-
зовываться элементы вплоть до трансурановых.

В результате вспышек сверхновых в межзвездное пространство непрерывно по-

ступают тяжелые и сверхтяжелые элементы, которые постепенно перемешиваются

с межзвездным газом. Мы видели, что сверхновые II типа — это молодые мас-
сивные звезды. Так как скорость образования таких звезд из межзвездной среды

сильно зависит от плотности последней (имеются некоторые основания полагать,
что она пропорциональна кубу плотности), то мы приходим к следующему инте-

ресному выводу.

Раньше, когда в Галактике содержание межзвездного газа было значитель-

но больше, чем сейчас, и скорость процесса образования звезд из него была

много выше современной, сверхновые звезды вспыхивали гораздо чаще. Спе-

циально выполненные расчеты показывают, что когда возраст Галактики был
меньше 1 млрд лет, частота вспышек сверхновых была примерно в 100 раз боль-
ше, чем сейчас.

Учитывая это обстоятельство, можно сделать вывод, что за всю историю раз-

вития Галактики в ней вспыхнуло примерно 1 млрд сверхновых звезд. Этого коли-

чества как будто бы достаточно для объяснения наблюдаемого содержания тя-
желых и сверхтяжелых элементов в межзвездном газе и образовавшихся из него
в разное время звезд «второго поколения». В то же время звезды, образовавшиеся
в эпоху формирования Галактики (это субкарлики и звезды, входящие в состав ша-
ровых скоплений, массы которых меньше одной солнечной), сохранили, по крайней

мере в своих наружных слоях, «первоначальный» химический состав межзвездной
среды, из которой они образовались. И действительно, у таких звезд «первого по-
коления» относительное содержание тяжелых элементов в десятки раз меньше, чем
у Солнца, которое является звездой «второго поколения». Таким образом, наблю-
даемые характерные различия в химическом составе звезд главной последователь-
ности и субкарликов, о которых шла речь в гл. 2, находят естественное объяснение
в рамках общей картины непрерывного обогащения вещества Галактики тяжелыми
элементами.

До сих пор речь шла преимущественно о нашей звездной системе Галактике.

Общие сведения о нашей Галактике, а также о других галактиках уже излагались
в первой главе. Здесь мы остановимся на морфологических различиях между галак-

тиками. Подобно тому как была в свое время разработана классификация звезд, ос-
новывающаяся на их спектрах и светимостях и нашедшая свое выражение в знаме-

нитой диаграмме Герцшпрунга — Рессела (см. рис. 15—17) был классифицирован
и мир галактик. Известно, что классификация — это первый шаг к познанию зако-
номерностей природы. Вспомним, например, Линнеевскую классификацию живот-
ного и растительного мира. Последующее развитие науки приводит к более глубо-

кому пониманию чисто эмпирической классификации. Например, только спустя

~40 лет был правильно понят эволюционный смысл диаграммы Герцшпрунга —

Рессела.

Общепринятая классификация галактик была предложена великим американ-

ским астрономом Хабблом еще в 20-х годах нашего столетия. Он же немного поз-
же открыл знаменитое «красное смещение» в спектрах галактик (см. гл. 1), вытекаю-

щее из развитой несколькими годами раньше космологической теории выдаю-
щегося советского математика А. А. Фридмана. Таким образом, не будет преувеличе-

нием сказать, что Хаббл открыл Метагалактику — вот уже действительно самое

б о л ь ш о е открытие в истории науки...

Согласно Хабблу галактики делятся на три основных типа: а) эллиптические,

б) спиральные, в) неправильные. Фотографии типичных представителей всех клас-
сов галактик приведены на рис. 6. Эллиптические галактики («Е-галактики») пред-
ставляют собой сфероиды с разной степенью сплюснутости и с большой концен-
трацией яркости к центру. Как показали последующие спектроскопические

исследования, Е-галактики состоят из огромного количества старых звезд малой
массы с избыточным содержанием водорода. Такой же природы звезды, образую-
щие сферическую составляющую нашей Галактики (см. гл. 1).

Спиральные галактики («S-галактики») наряду со сферической звездной соста-

вляющей характеризуются наличием нескольких с п и р а л ь н ы х р у к а в о в не-
правильной, клочковатой структуры. Хотя суммарная масса этих рукавов в сотни

раз меньше массы «сферической составляющей» соответствующей галактики, они
резко выделяются из-за присутствия значительного количества молодых массивных

звезд высокой светимости. Эти звезды непрерывно образуются из облаков меж-
звездной газопылевой среды, концентрирующейся к плоскости, в которой лежат
спиральные рукава. Заметим, что у Е-галактик содержание межзвездного газа в со-
тни и тысячи раз меньше, чем у S-галактик. Поэтому процесс звездообразования
в Е-галактиках практически давно уже прекратился.

Наконец, неправильные галактики характеризуются своей нерегулярной фор-

мой и сравнительно малой массой. Кстати, по своей массе (определяемой количе-

ством находящихся в них звезд) галактики различаются в весьма широких преде-
лах. Наша Галактика с ее массой в 10

солнечных масс принадлежит к числу

гигантов. Туманность Андромеды (М 31), как уже говорилось в гл. 1, имеет при-
близительно в три раза большую массу. Пожалуй, самой большой из известных
масс обладает знаменитая галактика М 87, находящаяся в центральной части ско-

пления галактик в созвездии Девы. По-видимому, масса этой галактики в сотню
раз превышает массу нашей Галактики. На другом полюсе находятся карликовые

галактики, массы которой ~ 10

солнечной, что только в несколько десятков раз

больше массы шаровых скоплений.

Наряду с массой важнейшей характеристикой галактики является мера ее осе-

вого вращения — вращательный момент на единицу массы. Мера вращения у Е-га-

лактик гораздо м е н ь ш е , чем у S-галактик. Очень медленное вращение Е-галак-

тик не может объяснить их наблюдаемую эллиптичность, т. е. сплюснутость,
подобно, например, тому, как действием центробежной силы можно объяснить
сплюснутость земного шара у полюсов. По-видимому, сплюснутость Е-галактик
объясняется самим характером звездных движений в таких галактиках. В противо-
положность этому влияние центробежной силы у сравнительно быстро вращаю-

щихся рукавов S-галактик весьма существенно. Следует подчеркнуть, что различия
между Е- и S-галактиками не являются эволюционным эффектом. Другими слова-
ми, галактики рождаются либо как S, либо как Е, и в процессе эволюции тип галак-

тики сохраняется. Структура галактики определяется начальными условиями ее
образования (например, характером вращения того сгустка газа, из которого она

образовалась).

В настоящее время имеются уже довольно хорошо разработанные модели пре-

вращения огромного облака газа, сжимающегося в результате действия закона все-
мирного тяготения сперва в протогалактику, а потом в галактику. Построение та-

ких моделей оказалось возможным только благодаря введению в практику
исследований быстродействующих электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

В самом начале следует представить себе огромный газовый шар, сжимающийся

по закону свободного падения к центру. Первоначальная температура этого газа
могла быть достаточно высокой, быстро уменьшалась, причем из-за гравитацион-

ной неустойчивости образовывались больших размеров сгущения, эволюциониро-
вавшие в облака. Благодаря беспорядочным движениям, эти облака сталкивались,
что вело к их дальнейшему уплотнению. На этом довольно раннем этапе из обла-
ков стали образовываться звезды «первого поколения». Наиболее массивные из них

успевали проэволюционировать задолго до того, как прекратилось сжатие протога-
лактик. Взрываясь как сверхновые, они обогащали межзвездную среду металлами.

По этой причине звезды следующих поколений имели уже другой химический со-
став. Это привело, например, к тому, что звезды вблизи центра эллиптических га-

лактик более богаты тяжелыми элементами, чем находящиеся на периферии, что

как раз и наблюдается.

Обрисованная сейчас картина эволюции относится к Е-галактикам. В прото- S-

галактиках звездообразование шло медленнее. Поэтому в них смог образоваться

газовый диск довольно значительной массы. Этому способствовало также доволь-
но быстрое вращение прото- S-галактик, препятствующее стеканию всего газа
в область ядра и превращению его там в звезды. Другими словами, вращение про-

тогалактик уменьшает скорость звездообразования.

Резюмируя, мы можем сказать, что разные типы галактик происходят от про-

тооблаков с разными плотностями и разным разбросом скоростей внутренних дви-

жений. В частности, Е-галактики образовались из более плотных облаков газа, на-
ходящегося в состоянии довольно быстрого беспорядочного движения. Этим,
в частности, объясняется, почему «богатые», сравнительно плотные скопления га-
лактик содержат преимущественно Е-галактики, в то время как в «бедных» разре-

женных скоплениях наблюдаются преимущественно S-галактики. Когда же проис-

ходил важнейший процесс превращения огромных сжимающихся облаков газа
сначала в протогалактики, а затем в галактики? Несомненно, это было очень дав-
но — даже по астрономическим масштабам. Возраст галактик (во всяком случае, их
подавляющего большинства) практически равен возрасту Вселенной. Это означает,
что галактики образовались тогда, когда Вселенная была совсем еще юной. Ниже
мы увидим, что величина красного смещения для наиболее удаленных из наблю-

даемых объектов ( — измеренная длина волны какой-нибудь спек-

тральной линии, — ее лабораторное значение). С другой стороны, имеет место

простое соотношение,

где R

и R — характерные размеры расширяющейся Вселенной в эпоху, когда была

излучена наблюдаемая спектральная линия, и-в современную эпоху. Мы видим, что
в ту отдаленную от нас эпоху размеры расширяющейся Вселенной были приблизи-
тельно в пять раз меньше, чем сейчас. А ведь галактики образовались еще раньше.

Когда же?

В следующей главе мы увидим, что при z ~ 1000 никаких галактик во Вселен-

ной еще не было. Значит, скорее всего, они образовались где-то между z = 10 и z =

= 100. Средняя плотность Вселенной тогда была в 10

— 10

раз больше современ-

ного значения. И вообще Вселенная была совсем непохожа на нынешнюю. И едва

ли не величайшим достижением науки является то, что мы имеем сейчас реальней-

шую возможность «заглянуть» в далекое прошлое Вселенной, когда она была со-

всем еще юной. Об этом будет идти речь в следующей главе.

Описанная схема эволюции звездных систем по мере дальнейшего развития

астрономии будет уточняться и все более и более конкретизироваться. Многие во-
просы, сюда относящиеся, еще далеко не ясны и ожидают своего решения. И пре-
жде всего — это проблема галактических ядер. До сравнительно недавнего времени
на эти самые центральные области спиральных и эллиптических звездных систем-

галактик не обращалось должного внимания. Астрономы предполагали', что это —

просто небольшие области с весьма высокой плотностью звезд. Пожалуй, первый,
кто обратил внимание на нетривиальные, качественно своеобразные свойства га-

лактических ядер, был академик В. А. Амбарцумян. В последние годы накопился

огромный наблюдательный материал, касающийся галактических ядер, который
действительно показывает, что они играют огромную роль в эволюции галактик.
Самым удивительным результатом этих наблюдений, которые проводились во
всем диапазоне шкалы электромагнитных волн — от радио до рентгеновских, яви-
лось открытие а к т и в н о с т и ядер. Это открытие (как и всякое открытие) было

неожиданным. Предполагалось всегда, что галактические ядра — это просто скопле-

ния сотен миллионов звезд, погруженных в межзвездную среду. При такой картине,
конечно, не приходится ожидать, что мощность излучения ядра на какой-либо во-

лне может заметно измениться за сколь угодно длинный промежуток времени на-
блюдений (например, сотню лет). Меняться может излучение какой-либо одной
звезды, но усредненная по гигантскому количеству звезд мощность излучения дол-

жна, казалось бы, оставаться постоянной. И вот оказывается, что как оптическое,
так и особенно радиоизлучение некоторых галактических ядер может заметно изме-
ниться за несколько месяцев и даже недель! Это означает, что в течение сравни-
тельно короткого промежутка времени по каким-то причинам освобождается ги-
гантское количество энергии, в сотни раз превышающее то, которое освобождается

при вспышках сверхновых. Такие ядра получили название «активных», а совокуп-
ность процессов, по-видимому, взрывного характера, приводящая к освобождению
столь огромного количества энергии, получила несколько неопределенное название
«активность» ядер. По существу, природа активности ядер галактик еще не понята,
хотя отдельные стороны этого грандиозного явления сейчас уже можно осмыслить.
Следует подчеркнуть, что активность наблюдается только у весьма незначительной

части ядер галактик. Подавляющее большинство их (в частности, ядро нашей Га-
лактики) излучают строго постоянно и вполне заслужили название «спокойных».
Наблюдения говорят, однако, о том, что это «спокойствие» не продолжается вечно.
Вулканы на Земле в промежутки времени между извержениями тоже можно счи-
тать спокойными... Точно так же и галактические ядра после длительного периода
«спокойствия» (исчисляемого, может быть, промежутками времени в десятки мил-
лионов лет) испытывают сравнительно кратковременные, длительностью в тысячи

и десятки тысяч лет, периоды активности. Таким образом, явление активности ядер
носит «повторяющийся» характер. Однако следы кратких, но бурных периодов ак-
тивности галактических ядер можно наблюдать длительное время после того, как

активная «вспышка» закончилась.

Особенно впечатляюще активность ядер проявляет себя в радиодиапазоне. Еще

в 1946 г. на заре радиоастрономии была открыта первая галактика, являющаяся
исключительно мощным источником радиоизлучения. Это — знаменитый объект
Лебедь А. В настоящее время число известных занесенных в каталог радиоисточни-

ков, находящихся в Метагалактике, превосходит уже 10000. Все они являются га-

лактиками, по каким-то причинам сильно излучающими в радиодипазоне. Такие

объекты получили название «радиогалактик». Наша Галактика также излучает ра-

диоволны, но мощность этого излучения («радиосвегимость») у нее в десятки и со-
тни тысяч раз меньше, чем у радиогалактик. Вообще следует заметить, что все га-
лактики излучают в той или иной степени радиоволны. У радиогалактик, однако,
этот процесс выражен особенно сильно.

Как надежно установлено, непосредственной причиной радиоизлучения и «нор-

мальных» галактик (вроде нашей), и «радиоглактик» является наличие там огром-
ного количества космических лучей, которые движутся в более или менее сильных
межзвездных магнитных полях. Центральным вопросом является происхождение
этих космических лучей. Если в нашей Галактике они образуются при «расплыва-

нии» в межзвездной среде туманностей — остатков вспышек сверхновых (которые,
как мы видели в предыдущей главе, «начинены» космическими лучами), то в случае

радиогалактик дело обстоит иначе. Сверхновых звезд там явно не хватает для того,
чтобы образовать очень уж большое количество космических лучей. Последние
образуются при гораздо более мощных процессах взрывного характера, происходя-

щих в ядрах в периоды их высокой активности. Обычно релятивистские частицы
выбрасываются из ядер в виде двух огромных облаков, разлетающихся в разные
стороны и сравнительно быстро (за «какие-нибудь» сотни тысяч лет) покидающих
пределы галактики (см. рис. 33 в следующей главе). В конце концов они рассеи-
ваются в межгалактическом пространстве. Наблюдаются случаи, когда около

галактики видны два «старых», весьма протяженных, почти расплывшихся
облака и одновременно по обе стороны ядра два небольших, очень ярких, «моло-

дых» облака (рис. 30). Это наглядно демонстрирует «циклический» характер актив-
ности ядер.

Существует класс галактик, который в последние годы привлекает к себе осо-

бое внимание астрономов. Речь идет о так называемых «сейфертовских галакти-
ках». Последние представляют собой более или менее нормальные спиральные
галактики, но только с очень яркими и весьма активными ядрами. Спектры по-
следних указывают на наличие там в сравнительно малой пространственной обла-
сти довольно плотных облаков горячего газа, беспорядочно движущихся с ог-
ромными скоростями в несколько тысяч км/с. Это свидетельствует о мощном
выбрасывании газовых струй из ядер таких галактик. Излучение с непрерывным
спектром часто бывает переменным и имеет ту же природу, что оптическое излу-
чение Крабовидной туманности (см. предыдущую главу). Это означает, что

там идет мощная генерация космических лучей.

Примерно 1 % всех спиральных галактик является сейфертовским. Все говорит

о том, что сейфертовские галактики — это более или менее часто повторяющийся

этап в развитии нормальных спиральных галактик. Мы можем еще сказать, что это
нормальные галактики, у которых ядра находятся в активном состоянии.

Вполне возможно и даже весьма вероятно, что много миллионов лет назад

ядро нашей Галактики было «сейфертовским», т. е. активным. Так как Солнце и вся
наша планетная система находятся очень близко от галактической плоскости, где
много космической пыли, мы не можем методами оптической астрономии наблю-
дать ядро нашей Галактики. Однако в радио- и инфракрасном диапазоне это
оказывается возможным. На рис. 31 приведено «радиоизображение» области галак-
тического центра. Компактный источник размерами в 10 секунд дуги в центре
рис. 31 и есть ядро нашей Галактики. Так как оно находится от нас на расстоянии
около 30000 световых лет, его линейные размеры оказываются меньше одного
парсека. Недавние радиоастрономические наблюдения показали, что в центре ядра
имеется еще меньшее образование, размеры которого меньше нескольких тысячных
парсека. По всем признакам в настоящее время ядро нашей Галактики «спокойно»,
хотя следы его довольно высокой активности в прошлом можно и сейчас наблю-

дать в виде газовых струй, поднимающихся над плоскостью Галактики на расстоя-

ние в несколько сотен парсек.

Интересно, что галактическое ядро также является источником инфракрасного

излучения. Угловые размеры этого источника 10 секунд дуги, т. е. такие же, как и
у совпадающего с ним радиоисточника. Из-за огромной величины поглощения све-
та межзвездной пылью оптическое излучение ядра нашей Галактики наблюдать
нельзя. Тем не менее из анализа инфракрасного излучения ядра можно сделать вы-
вод, что там, в области поперечником всего лишь в 1 пк, находится несколько
миллионов звезд. Это означает, что звездная плотность ядра нашей Галактики
в десятки миллионов раз больше, чем в «галактических» окрестностях Солнца!

В центре туманности Андромеды в оптических лучах наблюдается компактный

объект с угловыми размерами 1" х 1,5". Его видимая звездная величина около 12

Так как расстояние до этой гигантской звездной системы около 700000 пк, то ли-

нейные размеры ее ядра 3 x 5 пк, а светимость соответствует нескольким десяткам
миллионов Солнц. Заметим, что оптические наблюдения ядра туманности Андро-
меды возможны потому, что ее экваториальная плоскость наклонена к лучу зрения
под большим углом, так что протяженность поглощающего свет слоя межзвездной
пыли сравнительно невелика. Между тем из-за того, что Солнце находится очень
близко от галактической плоскости, к которой концентрируется межзвездная пыль,
излучение от центра нашей Галактики проходит через огромную толщу погло-
щающего свет вещества.

обозначить разность наблюдаемой длины волны и измеренной в лаборатории или

в «близких» туманностях, то величина характеризует красное смещение

спектральных линий. Она одинакова для всех линий данного источника. Для перво-
го из исследованных Шмидтом квазаров z = 0,36. В дальнейшем было открыто

много (несколько сотен) подобных объектов, причем наибольшее из известных
красных смещений z = 4. Эта величина фантастически велика — ничего подобного

до этого астрономы не обнаружили ни у одного небесного светила! Из определе-

ния z следует, что А это означает, что в спектрах квазаров наблюдают-

ся далекие ультрафиолетовые линии, из-за огромного красного смещения «съехав-
шие» в видимую часть спектра. Если бы не такое красное смещение, эти линии
никогда бы не наблюдались, так как земная атмосфера полностью поглощает уль-
трафиолетовое излучение.

Теперь уже мало кто сомневается, что причиной красного смещения квазаров

является эффект Доплера. Следовательно, все квазары удаляются от нашей Галак-

тики с огромными скоростями, вплоть до 290 тыс. км/с, т. е. вполне срав-
нимыми со скоростью света! Эти огромные скорости связаны с расширением

Вселенной (см. следующую главу).

Так как скорость удаления какого-нибудь объекта, обусловленная красным

смещением, тем больше, чем объект более удален, то из огромной величины
красных смещений квазаров следует, что они от нас неимоверно удалены, значи-
тельно дальше, чем даже самые удаленные из наблюдаемых галактик. Если при та-
ком удалении мы все же их можем наблюдать, то это означает, что их светимости
во много десятков раз превосходят светимости даже самых больших галактик.
Ведь мощные маяки видны с очень больших расстояний!

Всего удивительнее то, что яркость квазаров (в оптическом диапазоне) меняет-

ся. Это означает, что квазары не могут быть объектами, сходными с галактиками,

Вселенная. Жизнь. Разум - Наука (И.С. Шкловский) - часть 5