Передісторія. Оптичні спостереження

На густо покрытом звездами по­ле было расположено большое, почти круглое темное пятно.

Уместно будет напомнить предысторию открытия ГМО. Интуитивные представления о межзвездной среде можно встретить еще у философов античности, однако наблюдениями они подтверждены не были. Даже у уче­ных, впервые направивших на небо телескоп, рассуж­дения о межзвездной среде были довольно отвлеченны­ми. Так, Г. Галилей писал: «…мы отказываемся от твер­дых небесных сфер, в существование которых верили раньше, и предполагаем, что очень тонкая эфирная ма­терия развеяна по обширным областям Вселенной, по которым блуждают твердые мировые тела, наделенные собственными движениями».

В этом вопросе с ним полностью был согласен И. Кеплер: «К сильным сторонам твоего доказательст­ва я отношу необычайную тонкость небесной субстан­ции, следующей также и из моей «Оптики»… Это приво­дит к тому, что от наших глаз, когда они вооружены твоим инструментом, не ускользают даже самые мелкие частицы сферы звезд… и что в одной-единственной ча­стице линзы между глазом и предметом втиснуто гораз­до больше (и гораздо более плотной) материи, чем во всем нескончаемом пути сквозь эфир, причем материя в линзе вызывает легкое потемнение, а эфир его не вы­зывает. Поэтому и создается видимость, будто все не­объятное пространство пусто».

Итак, великие астрономы XVII столетия были уве­рены в существовании межзвездной субстанции, но счи­тали ее чрезвычайно разреженной и практически неви­димой (не подозревая о том, что сама эта субстанция делает для нас невидимой большую часть Галактики и существенную часть внегалактической Вселенной).

В XVIII в. трудами Э. Галлея (1656—1742), Н. Лакайля (1713—1762), Ш. Мессье (1730—1817) и П. Ме­шена, использовавших светосильные телескопы, были открыты десятки светящихся туманностей, а великий В. Гершель (1738—1822) обнаружил на небе 2,5 тыс. туманных объектов, многие из которых оказались обла­ками горячего газа. Внимательный наблюдатель — он отметил также существование в межзвездном простран­стве плотных холодных газопылевых облаков, но по иронии судьбы прошел мимо этого факта, дав ему совершенно неверное толкование. Вот как рассказывала об этом сестра великого астронома Каролина в письме сыну В. Гершеля Джону Гершелю, также известному астроному: «Однажды вечером, когда Ваш отец рас­сматривал небо в созвездии Скорпиона, он после дол­гого мучительного внимания вдруг воскликнул: «Здесь, вероятно, дыра в небе!» После долгого рассматривания этого места он утомленный, наконец, оставил его». Ре­шив, что обнаружены «отверстия в небесах», Гершель интерпретировал это как признак гравитационного скучивания звезд и распада Галактики на отдельные части. Судя по всему, он был увлечен тогда идеей И. Ньютона о гравитационной неустойчивости вещества, высказан­ной в связи с вопросом о происхождении звезд. В. Гер­шель так и не понял, что перед ним были именно те области пространства, где зарождаются новые звезды в полном соответствии с идеей Ньютона. Большинство астрономов разделяли заблуждение Гершеля вплоть до начала XX в. Но не все.

Замечательный итальянский астроном Анджело Сек­ки (1818—1878) одним из первых направил на ночное небо спектроскоп и провел обширные исследования звезд и туманностей, став, таким образом, основополож­ником современной астрофизики. С помощью спектро­скопа он окончательно установил различие между отда­ленными скоплениями звезд — галактиками, которые мы до сих пор по традиции называем туманностями, и истинными газовыми туманностями, заполняющими на­шу звездную систему. Секки всерьез заинтересовался и черными пустотами в Млечном Пути, которые Гершель считал «окошками в небесах». Доверяя в основном своей интуиции, Секки настаивал на том, что это ги­гантские облака темных газов, проецирующиеся па светлый фон далеких звезд. Теперь-то мы знаем, на­сколько прав был «отец астрофизики» и как близко он подошел к открытию предшественников звезд. Но и че­рез 50 лет после этого уже в начале XX в. астрономы склонны были разделять взгляды Гершеля и находили гипотезу Секки маловероятной.

Но совершенствовалась техника наблюдений, нака­пливались новые данные. На рубеже веков американ­ский астроном-самоучка Э. Барнард (1857—1923) начал систематическое фотографирование неба на Ликской обсерватории, положив тем самым начало широкому применению фотографии в астрономии. В 1913 г. Бар­нард публикует отдельные фотографии Млечного Пути, а в 1927 г. выходит в свет великолепный фотографиче­ский «Атлас Млечного Пути», при подготовке которого Барнард обнаруживает и описывает 349 светлых и тем­ных туманностей. Отдельно он составляет каталог 182 темных туманностей в Млечном Пути и выражает свое убеждение в том, что это облака поглощающей свет материи, а не промежутки между звездными облаками, как считал Гершель.

Темная пылевая туманность Конская голова

Действительно, в «Атласе» на фоне ярких областей Млечного Пути отчетливо выделяются темные пятна не­правильной формы и различных угловых разметов, не­редко окаймленные по краям светлой туманностью. Это, безусловно, указывает на их связь с межзвездным га­зом, но не доказывает ее. Пытаясь доказать существование темных непрозрачных облаков в межзвездном пространстве, астрономы того времени в основном поль­зовались логическими, а не наблюдательными аргумен­тами. Известный английский астрофизик Дж. Джинс (1877—1946) писал в 1930 г.: «…непрозрачностью газа объясняются… темные пятна, которые встречаются на небе среди звездных полей… Темное пятно, которое на первый взгляд кажется дырой в звездной системе, кар­тинно обозначается термином «угольный мешок». Одна­ко эти темные пятна не могут быть в действительности пустотами, ибо нельзя представить себе существования столь большого числа пустых туннелей, идущих сквозь толщу звезд и притом направленных прямо к Земле. Поэтому мы должны видеть в них завесы затемняющей материи, которая ослабляет или даже совершенно гасит свет лежащих за ней звезд».

Постепенно астрономы приходят к выводу о разно­образии форм межзвездной среды: помимо облаков го­рячего газа, о высокой температуре которого свидетель­ствует его спектр, состоящий из отдельных линий излу­чения, обнаруживаются и области пространства, запол­ненные более холодным разреженным веществом. Спек­троскоп показал, что это вещество просто отражает свет расположенных по соседству не очень горячих звезд, а значит, содержит, кроме газа, и твердые частицы — пылинки. Холодное межзвездное вещество обнаружить значительно сложнее, чем светящиеся горячие туманно­сти. Если перед холодным облаком нет освещающей его звезды, то оно проявляет себя лишь по поглощению света лежащих позади него звезд, а это далеко не всег­да удается распознать. Без преувеличения можно ска­зать, что звездная астрономия XX в. — это непрерывная борьба с межзвездным поглощением света. Лишь в по­следнее время столь сильно раздражающие астрономов темные облака привлекли к себе внимание как обла­сти интереснейших физико-химических метаморфоз, со­провождающих процесс рождения звезд.

Однако в начале XX в. о связи между звездами и межзвездным веществом было известно еще очень ма­ло. В 1916 г. тот же Барнард обнаружил расширяющую­ся туманную оболочку, которая образовалась вокруг Новой звезды, вспыхнувшей в созвездии Персея в 1901 г. Это явилось одним из первых указаний на возможность обмена веществом между звездами и межзвездной сре­дой. А поскольку примерно в те же годы Дж. Джинс разработал количественную теорию гравитационной не­устойчивости разреженной среды и образования из нее звезд, то появились предпосылки для обобщающих взглядов на круговорот космической материи. В 1921 г. немецкий физик В. Нернст (1864—1941) в лекции «Все­ленная в свете современных исследований», прочитан­ной им в Берлинской академии, поставил вопрос: возможно ли определенное квазистационарное состояние Галактики, при котором в процессе разрушения одних звезд высвобождается столько же вещества, сколько его тратится на формирование других, образующихся в это же время?

Разумеется, нынешние астрономы ответят на этот вопрос отрицательно, ибо хорошо известно, что из кру­говорота вещества в Галактике постоянно выпадают не­разрушающиеся остатки звездной эволюции: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры (?), а также объекты субзвездной массы, например планеты. Да и химическая эволюция Галактики вследствие термоядер­ных реакций идет в одном направлении — от простых элементов к сложным. Поэтому стационарное состоя­ние Галактики в целом недостижимо. Однако если сформулировать тот же вопрос по отношению только к межзвездной среде, то не исключено, что она уже дли­тельное время пребывает в квазистационарном состоя­нии. Действительно, существуют указания па то, что уменьшение массы газа в процессе звездообразования и изменение его химического состава в результате вы­броса тяжелых элементов проэволюционировавшими звездами почти в точности компенсируются аккрецией на Галактику чистого водородно-гелиевого межгалак­тического газа. Вероятно, именно поэтому в течение последних нескольких миллиардов лет звезды в Галак­тике образуются почти в постоянном темпе и с неизмен­ным химсоставом.

Однако не будем забегать вперед — до середины XX в. перед астрономами стоял вопрос не об эволю­ции, а о составе и строении межзвездной среды. Опти­ческие методы, к сожалению, давали мало информа­ции, но все же данные о холодных фракциях межзвезд­ной среды понемногу накапливались. В конце 40-х и в 50-е годы большой вклад в эту работу внесли совет­ские ученые Г А. Шайн, В. Ф. Газе, В. Г. Фесенков, Д. А. Рожковский, А. В. Курчатов и Дж. Ш. Хавтаси. Они создали атласы и каталоги диффузных, отража­тельных и темных туманностей Млечного Пути. Напри­мер, каталог грузинского астронома Дж. Ш. Хавтаси, составленный на основе фотографических атласов Бар­нарда и Роса — Кальверт, содержал описание 797 тем­ных туманностей.

В 1947 г. американцы Б. Бок и Э. Рейли обнаружи­ли на фоне светлых туманностей NGC 2237 в созвездии Единорога и NGC 6611 в созвездии Щита небольшие черные круглые пятна, названные ими глобулами (рис. 2). Размеры этих плотных газопылевых конден­саций составляли от 0,05 до 0,25 пк, они содержали 0,1—100 Мс газа и пыли и ослабляли проходящий свет в десятки и сотни раз. Эти объекты сразу стали считать предшественниками звезд — протозвездами. Вообще к концу 40-х годов связь молодых звезд с облаками го­рячего газа не вызывала сомнений: на это указывало их сходное распределение в пространстве. Однако про­цесс зарождения звезд в недрах холодных облаков в то время непосредственному наблюдению не поддавался.

Темная глобула в Южном Угольном мешке

В самом конце 40-х годов была обнаружена поля­ризация оптического излучения звезд межзвездной сре­дой. Это открытие стало важным не только для изу­чения свойств космических пылинок — виновников по­ляризации, но оно также впервые указало на присут­ствие в межзвездном пространстве крупномасштабного магнитного поля, которое оказывает заметное влияние на поведение разреженного газа и пыли.

Начиная с 1904 г. астрономы регистрировали в спек­трах звезд узкие линии поглощения некоторых элемен­тов и простейших молекул (Na, Са, К, Ti, CN, СН), ко­торые жили как бы своей независимой от звезд жизнью. К середине 20-х годов благодаря теоретическим рабо­там А. Эддингтона (1882—1944) было окончательно до­казано, что эти линии образуются, когда свет звезды проходит сквозь полупрозрачные облака межзвездного газа. Изучение межзвездных линий поглощения позво­лило к началу 50-х годов установить, что облака име­ют средний размер около 10 пк и что вблизи плоско­сти Галактики на луче зрения длиной 1 кпк обычно встречается 9—10 облаков.

По положению линий в спектре были измерены так­же скорости движения облаков и вычислено, что время их жизни, т. е. время между взаимными соударениями, составляет порядка 10⁷ лет. В поисках причины, удер­живающей газовые облака от расширения, американ­ский астрофизик Л. Спитцер предложил двухкомпонентную модель межзвездной среды, в которой относитель­но холодные плотные облака удерживаются от расши­рения давлением окружающего их разреженного горя­чего газа. Позже эта идея подтвердилась и получила развитие.

• ← Вступ
• Міжзоряне середовище та рух зірок →