Будущее

Зов через миллиарды лет

Что же представляет собой крупномасштабная структура нашей Вселенной, в которой одна-единственная галактика выглядит, как какой-нибудь заурядный синапс нервной клетки нашего мозга?

Слева у нас — микрофотография одной человеческой нервной клетки (нейрона), а справа — макроструктура нашей с вами Вселенной.
В левом углу фотографии слева у нас один человеческий нейрон, а в центре правой визуализации у нас расположен один из галактических суперкластеров, который является центром притяжения сотен и даже тысяч галактик.
Все остальные аналогии тут, конечно, чисто умозрительны, но, согласитесь, визуализация микромира и макромира иногда позволяет взглянуть на привычные вещи немного по-новому.

Что же представляет собой крупномасштабная структура нашей Вселенной, в которой одна-единственная галактика выглядит, как какой-нибудь заурядный синапс нервной клетки нашего мозга?
И насколько мы сейчас приблизились к пониманию величественности этой единой картины, а насколько — заменяем её многогранность различными костылями вида «тёмной энергии» и «тёмной материи»?

Итак, крупномасштабная модель нашей видимой Вселенной.
Во-первых, понятное дело, она трёхмерна, как и всё наше пространство. Но, с другой стороны, на расстояниях в миллиарды и миллиарды световых лет уже начинают сказываться эффекты космологической эволюции: мы начинаем видеть галактики и другие объекты во Вселенной всё более и более древними, на более ранних стадиях их эволюции.

И наша карта Вселенной ещё оказывается и раскроенной по времени — в условной «Москве» с центром в нашей галактике Млечный Путь у нас уже XXI век и современность, в ближнем «ЗаМКАДье» у нас уже век XIX-й и там «ездят на лошадях», а на условной «Чукотке» у нас вообще царит палеозойский период, где первые земноводные ещё пытаются выбраться на сушу.

Краткое описание четвёртого измерения карты Вселенной.

Например, видимыми артефактами такого рода «юной Вселенной» являются так называаемые квазары (quasi-stellar, «квазизвёздный объект»).

Квазары впервые были обнаружены в середине ХХ века, в виде мощных источников радиоизлучения. Первый из открытых квазаров, ЗС-48, был обнаружен в виде очень тусклой звезды (видимой величиной в 16,2^m) на совершенно тёмном и лишённом звёзд нашей галактике участке неба, но поразил своих первооткрывателей, американских астрономов Аллана Сэндиджа и Томаса Мэттьюса двумя фактами: во-первых, он оказался очень активным в радиодиапазоне и, во-вторых, его эмиссионные линии оказались расположенными в совершенно непонятных и нехарактерных для обычных звёзд участках спектра.

Что такое эмиссионные линии? Практически любой объект во Вселенной неоднороден: например, свет нашего Солнца, имея изначально непрерывный спектр так называемого «абсолютно чёрного тела», проходя через относительно холодную фотосферу нашей звезды, «обрастает» линиями поглощения — холодные слои солнечной атмосферы забирают часть энергии высокоэнергетических солнечных фотонов к себе на определённых частотах, оставляя нам «дыры» в непрерывном спектре излучения нашего Солнца. Эти линии поглощения зависят от тех химических элементов, которые составляют этот холодный экран на фоне более горячего объекта.

Точные и чувствительные спектрографы легко находят линии поглощения в якобы «непрерывном» солнечном свете.

С другой стороны, если некий, даже весьма холодный объект во Вселенной имеет какой-то специфический химический состав, то его собственное излучение тоже будет «обрастать» уже линиями излучения (эмиссионными линиями), характерными для составляющих его химических элементов.

Так, например, громадные количества межзвёздного водорода очень сильно излучают в радиодиапазоне, на волне в 21 сантиметр, что и позволяет легко находить облака межзвёздного газа, состоящие из водорода. Такое излучение водорода легко инициируется практически любым светом — от рентгена и ультрафиолета и вплоть до инфракрасных излучений, а радиоизлучение на волне в 21 сантиметр потом легко преодолевает миллионы световых лет, практически не поглощаясь в самом водороде.

Для понимания процессов поглощения и излучения фотонов лучше всего прочитать соответствующий раздел физики, но для нас критически важно, что линии поглощения и излучения неизбежно дают уникальный «слепок» самого небесного тела — будь то звезда или планета, облако межзвёздного водорода или нейтронная звезда, белый карлик или красный гигант.

Так, например, никто не определяет класс звезды путём непосредственного измерения её массы или размера: о всех параметрах звезды (температуре, возрасте, металличности) вполне точно рассказывает её собственный спектр и он же помогает определить и её размер и массу — причём сделать это с очень высокой точностью.

Звёздные спектры различных классов звёзд, от самых горячих (О) до самых холодных (М). Хорошо видно, как непрерывный спектр излучения звезды сдвигается в красную часть спектра при снижении температуры, а число линий поглощения — растёт.

При этом спектральные линии обычных звёзд, хоть и отличаются по своей интенсивности, но находятся всегда на одних и тех же, отведенных им местах — подобно тому, как холодный межзвёздный водород излучает на 21-сантиметре, так и относительно горячий водород звёздных фотосфер излучает и поглощает в массе серий спектральных линий — Бальмера, Лаймена, Пашена, Брэккета, которые расположены в ультафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазоне.

Однако, у ЗС-48 привычные эмиссионные спектральные линии, характерные для обычных звёзд, оказались совершенно в нетипичных местах, «съехав» куда-то в длинноволновую часть спектра, как и весь непрерывный спектр его излучения. Вначале первооткрыватели ЗС-48, Сэндидж и Мэттьюс считали, что они открыли новый класс доселе неизвестных звёзд, и даже назвали ЗС-48 «первой настоящей радиозвездой».

Но вскорости стало понятно, что объяснить такого рода спектр радиозвезды было трудно, если не невозможно: спектральные линии поглощения и излучения в её спектре могли быть объяснены только её достаточно высокой собственной температурой, что не соответствовало максимуму излучения ЗС-48, который наблюдался в микроволновом и радиодиапазоне, а линии поглощения и излучения не соответствовали ни одной из известных спектральных серий — ни водорода, ни углерода, ни каких-либо других элементов. В целом же своим радиоизлучением ЗС-48 соответствовал скорее горячим белым карликам и бывшим новым и сверхновым звездам — очень горячим объектам с ультрафиолетовым избытком.

Например, таким мощным источником радиоизлучения является объект Стрелец-А, находящийся в центре нашего Млечного Пути и, скорее всего, изначально бывший остатком сверхновой, но за время существования нашей галактики уже превратившийся в сверхмассивную чёрную дыру, которая сейчас алчно поглощает звёзды возле центра нашей галактики.

Комплексный снимок центра нашей Галактики, сведенный по данным орбитальных телескопов «Хаббл» (оптический диапазон, жёлтый цвет), «Спитцер» (инфракрасный диапазон, красный) и «Чандра» (рентгеновский диапазон, голубой).
Стрелец-А — голубое облако чуть справа от центра кадра.

В поисках выхода из ситуации с несостоявшейся «радиозвездой», Сэндидж и Мэттьюс при­менили интерференционный метод, чтобы определить с большой точностью положения телесные углы излучения для ЗС-48. Телесный угол излучения в радиодиапазоне у 3C-48 по их измерениям оказался меньше секунды дуги, как у звезды, но вот поток его радиоизлучения был всё равно оставался необъяснимым, так как не уступал потоку радиоизлу­чения от других, весьма протяжённых источников, превосходивших ЗС-48 по площади излучения в десятки тысяч раз.

Продолжая проверять гипотезу, по которой ЗС-48 является звездным остатком вспышки новой или даже сверхновой звезды в нашей галактике, американские астрономы X. Смит и Д. Хоффлейт просмотрели коллекцию пластинок Гарвардской службы неба за период 1897—1958 гг. и не обнаружили сколько-нибудь заметных, превышающих 0,3^m, колебаний блеска видимой части ЗС-48, что часто происходит у активных остатков бывших новых звезд. В итоге несмотря на «звёздный» характер излучения ЗС-48 исследователи зашли в тупик: ни один из типов звёзд не мог объяснить спектр излучения ЗС-48.

В попытке решить загадку ЗС-48, Сэндидж и Мэттьюс снова сфотографиро­вали таинственный объект при помощи доступного им 5-метрового телескопа, на длительной выдержке. Оказалось, что слабый видимый компонент ЗС-48 всё же обладает особенностями, не встречающимися у обычных звезд. Центарльная часть ЗС-48, наблюдаемая как слабая звезда с видимой величиной в 16^m, оказалась окруженной пятью слабенькими туманностями, располо­женными на расстояниях около 12" дуги.

Современная радиокарта ЗС-48. Это — не звезда!
Но в 1960-м году об этом ещё предстояло догадаться...

Одновременно расширялся и список квазизвёздных объектов. Вслед за ЗС-48 были найдены ЗС-147, ЗС-196, ЗС-273 и ЗС-286. Все они неистово лучили в радиодиапазоне, но выглядели на первый взгляд, как слабые звёзды.

Но вскорости звезда, отождествляемая с ЗС-196, также оказалась связанной со слабой туманностью.
А австралийские наблюдатели, используя покрытия Лу­ной при своих радионаблюдениях, показали, что квазар ЗС-273 состоит из двух компонентов, А и В, разделенных угловым расстоянием в 19″,5. На фотографии ЗС-273 в видимом диапазоне оказалось, что место, где зарегистрирован компонент А, занято маленькой туманностью, имеющей вид вытянутой струи, а на месте компонента В находится звезда видимой звездной величины 13^m.

Современная фотография ЗС-273 в рентгеновском диапазоне. Отчётливо виден выброс (джет) этого квазара.

Решив ещё раз вернуться к центральной компоненте ЗС-48, Сэндидж и Мэттьюс «оккупировали» 5-метровый телескоп Паломарской обсерватории на целых 7 часов (!), в результате чего всё-таки смогли получить удов­летворительный спектр звезды центрального компонента ЗС-48, той самой звезды с видимой величиной в 16^m.

Ко всеобщему удивлению, выяснилось, что ни в спектрах обычных звезд, ни в спектрах новых, сверхновых звезд или газовых туманностей нет спектральных линий в тех же местах, где они были обнаружены у ЗС-48. Вскорости после этого были получены и спектры ЗС-147, ЗС-196, ЗС-273 и ЗС-286, давшие еще более удивительные резуль­таты. Ни одной линии, находящейся в этих спектрах, не удавалось отождествить с какими-нибудь известными или предвычисленными линиями. Более того, ни в каких двух спектрах звездоподобных объектов не было хотя бы одной общей линии — каждый из них, будто издеваясь над учёными, демонстрировал свой собственный, уникальный набор спектральных линий.

Невероятная разгадка происхождения квазаров, которая снова перевернула представление людей о Вселенной.

Около трёх лет загадка спектров квазизвёздных оставалась неразрешенной. Наконец, американский астрономы Мартин Шмидт и Джон Оук, изучая расположение линий в спектре ЗС-273, заметили, что его четыре линии из шести обнаруженных образуют последова­тельность, в которой отношения длин волн такие же, какие бывают в сериях спектральных линий водорода.

Отно­шения длин волн были точно такими, какими им пола­галось быть при данном предположений, но сами длины волн не соответствовали ни водороду, ни какому-нибудь иному элементу, имеющему после ионизации одиночный заряд электрона во внешней оболочке.

Тогда Шмидт сделал кардинальное предположение, что линии занимают дру­гие места вследствие громадного красного смещения спектра. Это предположение было трудно сделать потому, что все уже привыкли считать звездоподобные источники радиоизлучения действительно звездами, а у звезд собственные скорости всегда малы и не превышают нескольких десятков километров в секунду. Вызываемые такими лучевыми скоростями доплеровские смещения спектров настолько незначительны, что они не могли бы помешать отождествлению спектральных линий — в этом случае отождествление спектральных линий было бы сделано сразу же, как был бы получен спектр квазара.

Посчитанное Шмидтом красное смещение квазара ЗС-273 составило 0,158. Это уже так называемое «космологическое красное смещение», которое значительно превосходит обычные, наблюдаемые для звёзд нашей галактики или соседних галактик красные или фиолетовые смещения спектральных линий. Космологическое красное смещение определяется по формуле:

где v - скорость объекта относительно нас, с - скорость света, а z - само безразмерное красное смещение.
Нетрудно посчитать, что красное смещение ЗС-273 в 0,158 соответствует его колоссальной скорости удаления от нас в 43 695 км/с или же 0,15 с.

После этой смелой догадки стала понятна и природа самих квазаров. Это оказались ядра сверхактивных молодых галактик, в которых центральная сверхмассивная чёрная дыра ещё не «наелась» окружающими её звёздами и межзвёздным газом.
Впоследствии такого рода активные галактики были обнаружены и достаточно близко к нам, например, вот замечательный комбинированный снимок галактики Центавр А, расположенной «всего лишь» в 12 миллионах световых лет от нас:

Комплексный снимок Центавра А, сведенный по данным орбитальных телескопов «Хаббл» (оптический диапазон, жёлтый цвет) и «Чандра» (рентгеновский диапазон, голубой).
Аналог квазара в центре Центавра А — голубая точка в центре кадра. Длина раскалённого газового выброса из центра Центавра А — около 13 000 световых лет.

Однако в нашем настоящем увидеть активную галактику на стадии алчного самопоедания — скорее исключение, нежели правило. Судя по всему, большая часть центральных чёрных дыр у наших соседей, да и наша собственная сверхмассивная чёрная дыра Стрелец А, уже «объелись» звёздами и не излучают в рентгеновском диапазоне, попутно выстреливая струями непереваренного горячего газа в противоположные стороны.

А вот на заре нашей Вселенной, светом откуда и сияют нам квазары — активных галактик было в разы, если не на порядки больше, а их страсть к «каннибализму» была намного больше, чем у скромного Центавра А. Кроме того, не исключено, что квазары представляют собой активные галактики именно на пике своего «самопоедания», так как их ядра светят горзадо сильнее, нежели и без того яркое ядро Центавра А, который является пятой по яркости галактикой на нашем небосводе.

Так, самый яркий и, как оказалось, один из самых близких из квазаров, уже упомянутый ЗС-273, оказался расположен от нас на чудовищном расстоянии в 2,44 млрд. световых лет, что больше расстояния до Центавра А в 200 раз. При его видимой светимости в 13^m, даже если не учитывать значительное красное смещение, которое переводит свечение ЗС-273 в радиодиапазон, а просто сравнить его с видимой светимостью Центавра А в 7^m, то получится, что ЗС-273 в реальноси светит (а точнее — светил 2,44 млрд. лет тому назад) как минимум в 4000 раз ярче, чем Центавр А светит нам сейчас.

Вот такой вот «зов через миллиарды лет».

Но квазары, как оказалось впоследствии, были лишь ещё одним шагом человечества на пути к краю Вселенной...

Источник. Печатается с разрешения автора