Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках
Шрифт:
Современную астрономию называют всеволновой. Возможность работы по всему диапазону электромагнитного спектра принесла революционные открытия и неизмеримо повысила уровень наших знаний о самых различных объектах Вселенной. Всего 50 лет назад астрономия напоминала человека, лишенного радости видеть цвета и краски окружающего мира. И вдруг в какой-то момент на него обрушилось буйство красок и вся окружающая природа предстала в совершенно ином виде. Переворот в астрономии был еще радикальнее, поскольку наблюдения в видимом оптическом диапазоне ограничиваются поглощением света в межзвездной среде. С освоением новых участков спектра у астрономов в буквальном смысле слова упала с глаз пелена.
Теперь посмотрим, что дали наблюдения неба в инфракрасной области спектра, располагающейся на шкале длин волн между видимым светом и радиоволнами. Человеческий
Здесь следует вкратце остановиться на одном важном обстоятельстве. Мы уже говорили о существенном ограничении наблюдений в видимом диапазоне: свет заметно поглощается межзвездной средой. В то же время в видимом диапазоне земная атмосфера довольно прозрачна. Атмосфера очень сильно «режет» коротковолновую часть спектра, начиная с ультрафиолетового излучения; что касается инфракрасного (ИК) диапазона, то молекулы воды и углекислого газа, всегда присутствующие в атмосферном воздухе, поглощают в этом диапазоне довольно сильно. К счастью, между полосами молекулярного поглощения воды и углекислоты есть узкие окна, в которых можно вести наблюдения. Кроме того, если поднять прибор на аэростате, шаре, зонде, задача наблюдения существенно облегчается. В ряде случаев можно проводить наблюдения в ИК-диапазоне даже с высокогорных обсерваторий. Что касается радиодиапазона, то атмосфера практически прозрачна для радиоволн длиной от 1 сантиметра до 20 метров. Теперь ясно, что сам факт поглощения электромагнитных колебаний земной атмосферой в значительной мере стимулировал проведение спектральных измерений на больших высотах и в космосе. В настоящее время есть проекты размещения в космосе и оптического телескопа, причем с довольно большим зеркалом, диаметром более двух метров. Отсутствие атмосферы даже для видимого диапазона даст огромный выигрыш при наблюдениях.
Но вернемся к ИК-астрономии. Можно без преувеличения сказать, что измерения в ИК-диапазоне внесли решающий вклад в исследование химического состава атмосфер планет. Благодаря именно этим измерениям нам удалось узнать, что атмосфера Венеры состоит не только из углекислого газа, она содержит такие экзотические молекулы, как угарный газ, хлористый и фтористый водород, а в облаках Венеры присутствует серная кислота. В атмосферах Венеры и Марса удалось обнаружить пары воды и определить их количество, в облаках Юпитера нашли аммиак, узнали, из чего состоят кольца Сатурна, оценили химический и минералогический состав грунта Луны, Марса, астероидов, спутников Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна.
Наблюдая Юпитер и Сатурн, удалось открыть внутренние потоки тепла от этих планет. Другими словами, оказалось, что и Юпитер и Сатурн отдают в пространство больше тепла, чем получают его от Солнца.
С помощью ИК-измерений удалось сделать поразительные открытия не только в мире планет, но и в мире звезд. Именно здесь и сказалось решающее преимущество ИК-излучения перед видимым светом: пыль и газ в межзвездном пространстве поглощают видимый свет во много раз сильнее, чем излучение в ИК-диапазоне. С помощью измерений в инфракрасном диапазоне были открыты так называемые ИК-звезды, которые в обычные телескопы были видны как объекты 20m (20-й звездной величины), а в ИК-диапазоне они светили как объекты 0m. Разница гигантская — в 20 звездных величин!
Температура этих звезд оказалась очень низкой (по звездным меркам) — всего 2000 К. В атмосферах многих холодных звезд есть вода и окись углерода. Около некоторых звезд, и молодых и старых, существуют пылевые оболочки, а совсем недавно было установлено, что есть звезды, и среди них одна из самых близких к нам — Вега, окруженные пылевыми дисками. Возможно, эти образования и есть знаменитые протопланетные туманности. Быть может, по соседству с нами вскоре отыщут звезды, имеющие планетные системы!
С помощью ИК-астрономии были открыты протозвездные объекты и загадочные тела промежуточной массы между звездами и планетами. Один из них имеет массу в десять раз большую, чем Юпитер, но соответственно меньшую, чем наш желтый карлик — Солнце.
Астрофизики, используя возможности ИК-астрономии,
Новые сведения об окружающем мире идут не только с длинноволнового конца спектра. Коротковолновый диапазон в этом смысле старается «не отставать» от радиоволн и ИК-излучения. Но здесь уже нужно учесть то обстоятельство, что научную информацию ученые получают в этом диапазоне длин волн только с больших высот и из космоса: атмосфера задерживает, «режет» коротковолновую, высокоэнергичную часть спектра.
С одной стороны, это, безусловно, хорошо. Хорошо хотя бы в том смысле, что если бы ультрафиолетовое излучение Солнца могло достигнуть поверхности Земли, то очень скоро наша планета превратилась бы в безжизненную пустыню. Ведь ультрафиолетовое излучение Солнца губительно для всего живого. Но так как наша планета имеет атмосферу, а в ней есть слой озона, поглощающий жесткий ультрафиолет, то мы можем жить спокойно, а астрономы должны использовать высотные ракеты и спутники для исследования различных объектов в коротковолновой части спектра — ультрафиолете, рентгене и гамма-диапазоне.
Ультрафиолетовое излучение особенно заметно в спектрах горячих молодых звезд, имеющих высокую температуру. Ну, и конечно же, наше Солнце является мощнейшим источником ультрафиолета, поскольку эта звезда ближе всего к нам. Я не буду много говорить сейчас об исследовании в ультрафиолетовой области спектра. Укажу лишь на один замечательный пример.
В мире звезд существуют так называемые белые карлики — маленькие, горячие звезды очень высокой плотности. Если бы нам удалось зачерпнуть вещество белого карлика чайной ложкой и взвесить его, стрелка весов остановилась бы около деления 5 тонн. Так вот, теория белых карликов была создана уже давно, но они очень трудно наблюдаемы в видимом диапазоне из-за малых размеров. До 1975 года по этой причине не проводилось прямых измерений размеров белых карликов. Но когда на спутнике «Коперник» были проведены измерения в ультрафиолете, оказалось, что максимум излучения Сириуса- лежит в области 1100 А, что соответствует температуре поверхности звезды около 30 000 К. Теперь по известной для Сириуса- видимой звездной величине можно было вычислить радиус звезды. Он оказался равным 4200 километрам, меньше, чем радиус Земли. Интересно, что последующие измерения дали более низкую цифру — 26 000 К. Но система Сириуса светит еще и в рентгене, и этой температуры не хватает для объяснения рентгеновского излучения. Пока причина этого неизвестна.
Если бы мы «закрыли» все участки спектра, кроме ультрафиолетового, ночное небо выглядело бы совершенно иначе, чем сейчас. На нем наблюдалось бы много очень ярких туманностей солидных размеров. Например, одна из них заняла бы все созвездие Ориона. Интересно выглядело бы в ультрафиолете Солнце: его внешние части были бы гораздо ярче диска звезды.
Отправимся теперь в область самой коротковолновой астрономии — рентгеновскую и гамма. Здесь уже телескопы совсем не похожи на оптические или радио. Это специальные физические приборы для регистрации жестких, то есть обладающих высокой энергией квантов, излучений в рентгеновском и гамма-диапазоне. Ясно, что кванты с высокой энергией могут рождаться в физических процессах с большим энерговыделением. Поэтому окно рентгеновской и гамма области спектра является окном в астрофизику высоких энергий. В первую очередь следует отметить открытие мощных рентгеновских источников — нейтронных звезд в тесных двойных системах. Мощность этих источников в сотни тысяч раз больше мощности Солнца, также излучающего в рентгеновском диапазоне.
Рентгеновские лучи принесли нам информацию о присутствии в межгалактическом пространстве внутри скоплений галактик горячей плазмы с температурой сто миллионов градусов. Мощными источниками рентгеновского излучения являются вспышки сверхновых, процессы «каннибализма» в мире галактик, вспыхивающие нейтронные звезды — барстеры.
Читателю не надо бояться новых загадочных терминов. Мы просто договоримся сейчас о том, что, когда разговор пойдет о мире галактик, нам станет понятно, что такое «каннибализм», беседуя о звездах, мы узнаем о барстерах и т. д. Сейчас же я хочу еще раз повторить, что наблюдения рентгеновского излучения в астрономии всегда связаны с высокими энергиями.