Откуда астрономы это знают?

Дмитрий Вибе,
доктор физико-математических наук,
ведущий научный сотрудник Института астрономии РАН

dwiebe_200

  • От радиоволн до гамма-лучей
  • Цвет и температура
  • Гори, гори, моя звезда — Расстояния и возрасты
  • Рождение звезд и планет
  • Иные миры и края
  • Увидеть невидимое
  • Потрогать руками — Конец эпохи антропоцентризма
  • Можно ли всему этому верить? — Ошибки астрономов

Но есть такие люди — они прекрасно слышат,
Как звезда с звездою говорит.

Ю. Ким

Вид ночного неба, усыпанного звездами, с давних пор вселяет в душу человека благоговение и восторг. Потому даже при некотором снижении общего интереса к науке астрономические новости иногда просачиваются в средства массовой информации, чтобы встряхнуть воображение читателя (или слушателя) сообщением о таинственном квазаре на самой окраине Вселенной, о взорвавшейся звезде или о черной дыре, затаившейся в недрах далекой галактики. Вполне естественно, что рано или поздно у заинтересованного человека возникает законный вопрос: «Да полно, уж не водят ли они меня за нос?» Действительно, по астрономии написано множество книг, снимаются научно-популярные фильмы, проводятся конференции, постоянно растут тиражи и объемы профессиональных астрономических журналов, и всё это — продукт простого разглядывания неба?

Возьмем, к примеру, физику, химию или биологию. Там всё понятно. Предмет исследования этих наук можно «потрогать» — если не непосредственно подержать в руках, то, по крайней мере, подвергнуть всестороннему исследованию в экспериментальных установках. Но как могут астрономы с такою же уверенностью утверждать, например: «В двойной системе, удаленной от нас на 6 тыс. световых лет, вещество срывается с красной звезды, закручивается в тонкий диск и накапливается на поверхности белого карлика», предъявляя в качестве доказательства снимок, на котором не видны ни красная звезда, ни карлик, ни тем более диск, а наличествует лишь яркая точка в окружении еще нескольких таких же, разве что не столь ярких? Эта уверенность — не следствие завышенной самооценки. Она проистекает из умения связать мириады разрозненных наблюдательных фактов в единую, взаимосвязанную, внутренне непротиворечивую картину Мироздания, при этом успешно предсказывая открытие новых явлений.

Основу основ наших познаний о Вселенной составляет убежденность в том, что вся она (или, по крайней мере, вся ее видимая часть) управляется теми же физическими законами, что открыты нами на Земле. Это представление возникло не на пустом месте. Нельзя даже сказать, что физические законы сначала открывались на Земле, а потом находили подтверждение в Космосе. Физики никогда не рассматривали нашу планету в отрыве от остальной Вселенной. Закон всемирного тяготения был выведен Ньютоном по наблюдениям Луны, а первым его «триумфом» стал расчет орбиты кометы Галлея. Гелий был обнаружен сначала на Солнце и лишь потом на Земле

white_dwarf_t_pyxidis_300
На этом снимке показана оболочка, сброшенная во время вспышки повторной новой Т Компаса (T Pyxidis). Яркая точка в центре оболочки — двойная звезда, состоящая из обычной звезды и звездного остатка (белого карлика). Вещество звезды перетекает на белый карлик, постепенно накапливаясь на его поверхности. Когда масса накопленного вещества превышает некий критический предел, в системе происходит взрыв. По каким-то причинам (возможно, в результате взаимодействия с остатками предыдущих взрывов) сброшенная оболочка распадается на тысячи крохотных светящихся узелков. Помимо спектроскопического исследования этих узелков, наблюдая за ними на протяжении нескольких лет можно непосредственно видеть, как они разлетаются прочь от системы. © Shara, Williams, Gilmozzi, and NASA. Изображение с сайта hubblesite.org

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

От радиоволн до гамма-лучей

Представление о единстве физических законов позволяет сделать очень важное допущение. Пусть мы не можем, например, проникнуть в недра звезды или в ядро галактики, чтобы непосредственно увидеть происходящие там процессы. Но мы можем логически вывести эти процессы, наблюдая производимый ими результат. Результатом этим в подавляющем большинстве случаев оказывается свет, точнее электромагнитное излучение в очень широком диапазоне частот, которое мы непосредственно и регистрируем. Всё остальное — помимо излучения — представляет собою продукт теоретической интерпретации наблюдений, суть которой заключена для астрономов в простой формуле «О – С», то есть «наблюдаемое» (observed) минус «вычисленное» (computed). Чтобы понять природу какого-либо объекта, нужно построить его модель, то есть физико-математическое описание происходящих в нём процессов, а затем с помощью этой модели вычислить, какое излучение должно рождаться в этом объекте. Дальше остается сравнить предсказания модели с результатами наблюдений и, если сравнение оказалось не вполне убедительным, то либо изменить параметры имеющейся модели, либо придумать новую, более удачную.

cetus_constellation_640
Звездное поле в созвездии Кита (Cetus), по площади примерно равное полной Луне. Может показаться, что все звёзды на нём одинаково белые. Однако если приглядеться, видно, что среди них есть и голубые, и желтые, и красноватые светила. © Роберт Гендлер. Фото с сайта www.astronet.ru. (Более подробно разглядеть этот снимок можно на сайте www.robgendlerastropics.com.)

Сравнивать есть с чем, ибо свет несет в себе колоссальный объем информации. Даже беглого взгляда на звезды достаточно, чтобы заметить — они различаются по цвету. Это уже очень важная информация, так как цвет зависит от температуры. Иными словами, просто посмотрев на звёзды невооруженным взглядом и предположив, что на них действуют известные нам законы излучения (скажем, закон смещения Вина), мы уже можем сказать, что поверхности звезд имеют различную температуру — от двух-трех тысяч градусов (красные звезды) до десятков тысяч градусов (белые и голубые звезды).

Цвет и температура

Самым простым видом излучения является тепловое — то есть излучение, связанное с температурой тела. Тепловое излучение греет замерзшие ладони усталого путника, разведшего на обочине дороги небольшой костерок; тепловым излучением освещают наши жилища лампочки накаливания; именно тепловое излучение миллиарды лет несет на Землю солнечную энергию. Формально нагретое тело излучает во всём диапазоне длин волн (или частот), но есть определенная длина волны, на которую приходится максимум излучаемой энергии. Для источника излучения с максимально простыми свойствами, который в физике называется абсолютно черным телом, эта длина волны обратно пропорциональна температуре: λ = 0,29 / T, где длина волны выражена в сантиметрах, а температура — в Кельвинах. Это соотношение называют законом смещения Вина. Зрительно именно эта длина волны (разумеется, в сочетании с кривой спектральной чувствительности глаза) определяет видимый цвет нагретого тела. В спектрах звезд распределение энергии излучения по длинам волн несколько отличается от «чернотельного», однако связь между «цветом» и температурой сохраняется. Слово «цвет» здесь взято в кавычки, поскольку вместо субъективного описания (красный, желтый, голубой и пр.) в астрономии используются менее живописные, но куда более четкие численные характеристики — так называемые показатели цвета.

Конечно, в реальности всё сложнее, поскольку излучение тела не всегда связано с тем, что оно имеет определенную температуру. Иными словами, оно может иметь инетепловую природу, как, например, синхротронное или мазерное. Однако это можно легко установить, определив не только «цвет», то есть частоту, на которую приходится максимум излучения, но и всю форму спектра, то есть распределение излучаемой энергии по частотам. Современная аппаратура позволяет регистрировать излучение в огромном частотном диапазоне — от гамма- до радиоволн.

Хотя общая форма спектра звезды или другого объекта уже говорит о многом (например, о природе излучения — тепловое оно или нет и если тепловое, то какой температуре соответствует), в спектре есть и значительно более емкий носитель информации — линии. При определенных условиях вещество излучает (если оно излучает само) или поглощает (если его освещает другой источник) свет лишь на определенных частотах. Конкретный набор частот зависит от индивидуального распределения энергетических уровней атомов, ионов или молекул вещества, а это означает, что по наличию той или иной спектральной линии можно сделать вывод, что в излучающем или поглощающем веществе присутствуют эти атомы и молекулы. По интенсивности линии, по ее форме, поляризации, а также по отношению интенсивностей разных линий одного и того же атома или молекулы можно определить содержание данного элемента в атмосфере звезды, степень ионизации, плотность вещества, его температуру, напряженность магнитного поля, ускорение силы тяжести… Если вещество движется, его спектр, в том числе линии, сдвигается как целое из-за эффекта Доплера: в синюю сторону спектра, если вещество приближается к нам, в красную — если вещество удаляется. Это означает, что по смещению линий относительно «лабораторного положения» мы можем делать выводы, например, о движении как звезды в целом, если смещается весь спектр, так и отдельных слоев ее атмосферы, если линии, образующиеся на различных глубинах, смещаются по-разному.

fraunhofer_lines_640
Первую карту солнечного спектра построил в начале XIX века знаменитый оптик Йозеф Фраунгофер. Наиболее заметным темным линиям в спектре Солнца он присвоил буквенные обозначения, некоторые из которых применяются астрономами до сих пор (верхний рисунок). Во второй половине XIX века выяснилось, что положение линий поглощения (темных) в спектре Солнца совпадает с положением линий излучения (светлых) в лабораторных спектрах различных химических элементов. Из сравнения приведенных здесь спектров видно, что фраунгоферовы линии h, G’, F и C принадлежат водороду, а двойная линия D — натрию. Рис. с сайта optics.ifmo.ru

В спектре звезды, подобной Солнцу, количество спектральных линий (в данном случае, линий поглощения) измеряется многими тысячами, поэтому можно без преувеличения сказать, что о звездных атмосферах (где находится вещество, которое проявляет себя в виде линий) мы знаем почти всё. Почти — потому что сама теория образования спектров неидеальна, хотя и продолжает непрерывно совершенствоваться. В любом случае, излучение звезд несет в себе огромное количество информации, которую нужно только уметь расшифровать. Недаром в популярных текстах спектры любят сравнивать с отпечатками пальцев.

Гори, гори, моя звезда

Но атмосфера — лишь небольшая доля вещества звезды. Что мы можем сказать о ее недрах? Ведь заглянуть туда можно только теоретически — вооружившись физическими законами. (Впрочем, сейчас астрономы активно осваивают методы сейсмологии, по «дрожанию» спектральных линий изучая особенности распространения звуковых волн в недрах звезд и так восстанавливая их внутреннее строение.) Зная температуру и плотность на поверхности звезды (например, Солнца), а также предположив, что ее собственная гравитация уравновешивается тепловым и световым давлением (иначе бы звезда расширялась или сжималась), можно просчитать изменение температуры и плотности с глубиной, добравшись до самого центра светила, и заодно попытаться ответить на вопрос, что именно заставляет Солнце и другие звезды светиться.

sun_shock_waves_640
Конвективные движения в приповерхностных областях Солнца генерируют звуковые волны, которые уходят вглубь звезды, пронзают ее насквозь, отражаются от поверхности и снова погружаются в недра (см. рисунок слева). Этот процесс повторяется многократно, в результате чего каждый участок солнечной поверхности словно «дышит», или вибрирует. На рисунке справа показан один из режимов сейсмологических колебаний поверхности Солнца (синие участки поднимаются, красные — опускаются). По данным измерений с борта космической солнечной обсерватории SOHO частота колебаний в этом режиме примерно равна 3 миллигерцам. © GONG (Global Oscillation Network Group). Изображения с сайта gong.nso.edu

Изучение истории Земли показало, что энерговыделение Солнца на протяжении нескольких миллиардов лет оставалось почти неизменным. Это означает, что предполагаемый источник солнечной (звездной) энергии должен быть очень «долгоиграющим». В настоящее время известен только один подходящий вариант — это цепочка термоядерных реакций, начинающаяся реакцией превращения водорода в гелий. Предположив, что именно она составляет основу звездной энергетики, можно построить теоретические модели эволюции звезд различных масс — эволюционные треки, которые позволяют описать изменение внешних параметров звезды (ее светимости и поверхностной температуры) в зависимости от процессов, происходящих в ее недрах. Конечно, мы лишены возможности наблюдать за звездой на протяжении всей ее жизни. Зато в звездных скоплениях мы можем наблюдать, как выглядят звёзды различных масс, но примерно одного возраста.

Расстояния и возрасты

Определение расстояний в астрономии — это, как правило, многоступенчатая процедура, поэтому систему астрономических «эталонов длины» иногда образно называют «лестницей расстояний». В ее основе лежат определения расстояний в Солнечной системе, точность которых благодаря радиолокационным методам в ряде случаев достигла уже миллиметровых значений. Из этих измерений выводится величина главного астрономического эталона длины, который без особых изысков так и называется — «астрономическая единица». Одна астрономическая единица представляет собою среднее расстояние от Земли до Солнца и равна примерно 149,6 млн км.

Следующая ступенька «лестницы расстояний» — метод тригонометрических параллаксов. Орбитальное движение Земли приводит к тому, что в течение года мы оказываемся то по одну сторону Солнца, то по другую и в результате смотрим на звезды под немного разными углами. На земном небосводе это выглядит как колебания звезды вокруг некоторого среднего положения — так называемый годичный параллакс. Чем дальше звезда, тем меньше размах этих колебаний. Определив, насколько сильно меняется видимое положение звезды из-за годичного движения, можно определить расстояние до нее с помощью обычных геометрических формул. Иными словами, расстояние, определенное по параллаксу, не отягощено никакими дополнительными предположениями, а его точность ограничена только точностью измерения параллактического угла.

С методом параллаксов связана еще одна единица измерения астрономических расстояний: парсек. Один парсек — это расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом в одну секунду. Беда в том, что даже для ближайших звезд параллактический угол очень мал. Например, для α Центавра он равен всего лишь трем четвертям угловой секунды. Поэтому с помощью даже самых современных угломерных инструментов удается определить расстояния до звезд, удаленных от нас не более чем на несколько сотен парсек. Для сравнения, расстояние до центра Галактики равно 8–10 тыс. парсек.

На следующей ступеньке лестницы находятся «фотометрические» расстояния, то есть расстояния, основанные на измерении количества света, поступающего от источника излучения. Чем дальше от нас он находится, тем тусклее становится. Поэтому, если нам каким-то образом удастся определить его истинную яркость, то мы, сравнив ее с видимой яркостью, оценим расстояние до объекта. На относительно небольших расстояниях вне конкуренции с начала XX века остаютсяцефеиды — особый род переменных звезд, у которых истинная яркость связана простым соотношением с их периодом. На более значительных расстояниях в качестве «стандартных свечей» применяются сверхновые типа Ia. Наблюдения свидетельствуют, что в максимуме блеска их истинная яркость всегда примерно одна и та же.

Наконец, на самых больших удалениях единственным указанием на расстояние до объекта служит пока закон Хаббла — обнаруженная американским астрономом прямая пропорциональность между расстоянием и смещением линий в красную область спектра.

Важно отметить, что вне Солнечной системы единственным прямым методом определения расстояний является метод параллаксов. Все остальные методы в той или иной степени опираются на различные предположения.

С возрастами ситуация гораздо менее определенная. Настолько менее, что не всегда бывает понятно даже, что именно называть возрастом. В пределах Солнечной системы помимо обычных геологических методов для оценки возраста поверхностей небесных тел используется, например, степень их покрытия метеоритными кратерами (при условии, что известна средняя частота падения метеоритов). Цвет поверхности астероидов постепенно меняется под воздействием космических лучей (это явление называется «космической эрозией»), поэтому ее возраст можно примерно оценить по цвету.

Возраст остывающих космических объектов, лишенных источников энергии, — коричневых и белых карликов — оценивают по их температуре. Оценки возрастов пульсаров опираются на скорости замедления их периодов. Примерно определить возраст разлетающейся оболочки сверхновой можно, если удается измерить ее размер и скорость расширения.

С возрастами звезд дело обстоит получше. Правда, большую часть времени жизни звезды она проводит на стадии центрального горения водорода, когда внешне с ней происходит очень мало изменений. Поэтому, глядя, например, на звезду, подобную Солнцу, трудно сказать, образовалась она 1 млрд лет назад или 5 млрд лет назад. Ситуация упрощается, если нам удается наблюдать группу звезд примерно одного возраста, но различных масс.

Такую возможность нам предоставляют звездные скопления. (Звезды в них, конечно, образуются не совсем одновременно, но в большинстве случаев разброс возрастов отдельных звезд меньше среднего возраста скопления.) Теория звездной эволюции предсказывает, что звезды различных масс эволюционируют по-разному — чем массивнее звезда, тем быстрее она заканчивает свой «звездный путь». Поэтому чем старше скопление, тем ниже опускается планка максимальной массы населяющих его звезд. Например, в очень молодом звездном скоплении Arches (Арки), расположенном вблизи центра Галактики, есть звезды с массой в десятки солнечных масс. Такие звезды живут не более нескольких миллионов лет, стало быть, именно таков максимальный возраст этого скопления. А вот в шаровых скоплениях наиболее тяжелые звезды имеют массу не более 2 масс Солнца. Это говорит о том, что возрасты шаровых скоплений измеряются миллиардами лет.

Поддержка