Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

• Название: Эволюция Вселенной и происхождение жизни
• Автор: Пекка Теерикор
• Издательство: Эксмо
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2010

Сэр Исаак Ньютон сказал по поводу открытий знаменитую фразу: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов».

«Эволюция Вселенной и происхождение жизни — описывает восхождение на эти метафорические плечи, проделанное величайшими учеными, а также увлекательные детали биографии этих мыслителей. Впервые с помощью одной книги читатель может совершить путешествие по истории Вселенной, какой она представлялась на всем пути познания ее природы человеком. Эта книга охватывает всю науку о нашем происхождении — от субатомных частиц к белковым цепочкам, формирующим жизнь, и далее, расширяя масштаб до Вселенной в целом.

«Эволюция Вселенной и происхождение жизни» включает в себя широкий диапазон знаний — от астрономии и физики до химии и биологии. Богатый иллюстративный материал облегчает понимание как фундаментальных, так и современных научных концепций. Текст не перегружен терминами и формулами и прекрасно подходит для всех интересующихся наукой и се историей.

---

Затем вдруг блеснула мысль, и Бааде все понял: он стал свидетелем редкого «дорожного происшествия» — столкновения двух галактик. Оценив вероятность такого события как один к ста миллионам, Бааде понял, что он стал первым из людей, увидевших это. Два огромных звездных мира встретились и столкнулись, а радиоизлучение принесло нам весть об этом событии. Вместе с Лайманом Спитцером Бааде опубликовал теорию, которая объясняла большинство радиоисточников как результат столкновения галактик.

Вскоре другой сотрудник Паломарской обсерватории Рудольф Минковский организовал семинар по радиоисточникам, где рассмотрел разные теории их происхождения. Как было принято в то время, Минковский считал, что радиоисточники находятся внутри нашей Галактики, а вовсе не в других галактиках. «Невероятную теорию» Бааде он упомянул лишь мимоходом. После лекции Бааде подошел к Минковскому и сказал: «Ставлю тысячу долларов за то, что Лебедь А — это столкновение галактик». Минковский только что купил дом и не мог позволить себе такой дорогой спор. Поэтому они поспорили на бутылку виски и договорились о том, какие именно наблюдаемые признаки смогут разрешит!» их спор.

Через несколько месяцев Минковский заглянул в кабинет Бааде и спросил: «Какую марку предпочитаете?» Он показал спектр Лебедя А, где четко были видны линии, о которых они договаривались как о свидетельстве столкновения. Эти новые результаты они опубликовали в 1954 году в Astrophysical Journal.

Кто же, в конце концов, оказался прав? Спустя несколько лет теория Бааде стала терять популярность, когда выяснилось, что радиоизлучение исходит не из самих сталкивающихся галактик, а из областей рядом с ними. Однако в последние десятилетия идея сталкивающихся галактик вновь вошла в моду. Правда, сейчас мы понимаем, что радиоизлучение возникает в результате гораздо более сложных процессов, чем могли себе представить Бааде и Спитцер.

Самым важным в спектре Лебедя А было его красное смещение, равное 0,057. Основываясь на нем, Бааде и Минковский вычислили расстояние до этой галактики: при современной шкале расстояний оно получается равным 8оо млн световых лет (250 Мпк). Лебедь А оказался на поразительно большом расстоянии, если учесть, что это второй по яркости радиоисточник на небе. При известном расстоянии легко вычислить, что радиоизлучение этого источника соответствует мощности излучения сотни миллиардов звезд! Это в десять раз превышает мощность излучения всех звезд галактики Лебедь А. В звездах протекают термоядерные реакции; но откуда же берется та загадочная энергия, которая превосходит ядерную в десятки раз?

Лебедь А настолько ярок, что его можно было бы легко заметить с помощью радиотелескопа, даже если бы он был в десять раз дальше. Его радиоизлучение исходит из двух областей, разделенных на небе расстоянием чуть больше одной минуты дуги, а сама галактика лежит как раз посередине между областями излучения (рис. 26.5). Лебедь А — это пример двойного радиоисточника. Его две радиообласти удалены друг от друга на 0,4 млн световых лет. У других двойных радиоисточников расстояние между областями излучения бывает иное. Грандиозный масштаб этого явления связывают с тем, что центральные галактики двойных радиоисточников входят в число самых крупных галактик во Вселенной.

Рис. 26.5. Двойной радиоисточник Лебедь А в направлении созвездия Лебедь. Тонкий джет связывает активное ядро галактики с внешними радиокомпонентами. Карта VLA с разрешения R. А. Perley.

Открытие квазаров

Измерения размеров радиоисточников активизировались в конце 1950-х годов. Группа радиоастрономов из Манчестера специализировалась на источниках малого углового размера, но даже их радиотелескоп не мог разрешить структуру нескольких источников: они выглядели как точки. Одним из этих источников был 3С 48. Его точное положение на небе измерил Томас Мэтьюз, использовав радиотелескоп в долине Оуэнс (Калифорния), и передал координаты в Паломарскую обсерваторию Аллану Сэндиджу. Тот сфотографировал эту область неба и нашел на месте радиоисточника тусклую звезду. В конце 1960 года Сэндидж доложил о своем открытии на съезде Американского астрономического общества. Он пришел к выводу, что это первая реальная радиозвезда в нашей Галактике. При этом он заметил, что это могла бы быть и далекая галактика, но поскольку ее наблюдаемый блеск меняется, гипотеза о том, что это галактика, выглядит невероятной. Действительно, как могут сотни миллиардов звезд изменяться настолько синхронно, чтобы вся галактика становилась ярче или тусклее?

Пока в Америке Сэндидж и Мэтьюз размышляли о природе 3С 48, Сирил Хазард из Манчестерской группы разработал метод очень точного определения положения радиоисточников и вместе со своими австралийскими коллегами применил его. Когда Луна проходит перед радиоисточником, его излучение исчезает, как только край Луны закрывает радиолуч. Движение Луны по небу известно очень точно, следовательно, момент исчезновения радиоисточника, как и момент его последующего появления, позволяют точно определить его положение.

Этим способом определили положение радиоисточника 3С 273 и послали данные в Паломарскую обсерваторию. Мэтьюз обнаружил, что этот источник точно совпадает со звездой в созвездии Дева. Голландский астроном Мартен Шмидт, работавший в Паломарской обсерватории, сфотографировал спектр этой звезды и нашел в нем семь линий. Ни он сам и никто другой в обсерватории не могли сказать, какому элементу принадлежат эти линии. Чтобы выяснить это, Шмидт начал измерять точные длины волн спектральных линий, используя ближайшую бальмеровскую линию водорода как стандарт.

Длина волны первой линии оказалась в 1,16 раза больше, чем длина волны ближайшей бальмеровской линии. Длина волны второй линии тоже была в 1,16 раза больше, чем у следующей бальмеровской линии. И у третьей линии выявилась та же закономерность. Шмидт понял: эти неизвестные линии сами являются бальмеровскими линиями, но все они сдвинуты на 16 % по отношению к обычным длинам волн. Иными словами, красное смещение в спектре источника 3С 273 равнялось z = 0,16. Если обычным образом использовать красное смещение как индикатор расстояния, то получается, что 3С 273 удален на 2400 млн световых лет (в тысячу раз дальше галактики Андромеда!).

Теперь стало ясно, почему так трудно было интерпретировать спектры радиозвезд. У звезд нашей Галактики линии не могут быть сдвинуты так сильно! Никто не предполагал, что смещение линий в этих спектрах может быть таким большим, характерным для далеких галактик. Тем же способом разгадали загадку спектра 3С 48. В этом случае красное смещение оказалось равным z = 0,37, а расстояние около 6000 млн световых лет. Несмотря на такие колоссальные расстояния, 3С 273 и 3С 48 хорошо видны в телескоп. Легко посчитать, что каждая из этих «звезд» светит в сотню раз мощнее крупной галактики.

Вскоре обнаружились новые радиозвезды. Их назвали квазарами (quasi-stellar objects), поскольку выглядят они как звезды, но в действительности эквивалентны миллионам звезд. Кроме того, их блеск часто меняется за короткое время, например от одной ночи к другой. А скорость изменения говорит нам о размере источника. За сутки свет проходит расстояние в одни световые сутки, что составляет около 200 астрономических единиц, или чуть больше размера Солнечной системы. Источник, который становится значительно ярче за одни сутки, не может быть больше этого размера. Ведь чтобы он смог изменить свой блеск всего за сутки, он должен за это время перестроить все излучающие поверхности на новый уровень блеска. А такую перестройку невозможно произвести со скоростью выше скорости света. Если же перестройка происходит медленнее, то квазар может быть существенно меньше Солнечной системы. Таким образом, в квазаре размером не больше Солнечной системы выделяется больше энергии, чем во всей галактике диаметром 100 000 световых лет!

Аллан Сэндидж открыл также множество объектов, похожих на квазары, но не испускающих заметного радиоизлучения. Фактически таких «радиотихих» квазаров примерно в десять раз больше, чем «радиогромких». Сегодня в каталогах числятся десятки тысяч квазаров; на небе их значительно больше, чем видимых звезд, но все они слишком тусклые для невооруженного глаза. А полное число квазаров превышает миллионы.

Проблема красного смещения.

В некоторый момент у вас могло зародиться сомнение: а верна ли вся эта цепочка рассуждений? Что, если расстояния до квазаров определены неправильно? Тогда светимость квазаров не будет такой большой. Расстояния до квазаров вычислены на основании красного смещения линий в их спектрах и с использованием закона Хаббла. А не может ли быть другой причины для появления красного смещения в спектре, кроме сдвига, обусловленного расширением Вселенной?