Галактики

Отдельные звёзды объединяются в скопления, а скопления, в свою очередь, — лишь малая часть намного большей системы, удерживаемой собственным тяготением, галактики.

Само Солнце вместе со всеми звёздами, скоплениями и туманностями этой книги находится внутри одной из них — Млечного Пути. Наша Галактика — это плоский вращающийся диск звёзд, газа и пыли с более плотным утолщением в центре, балджем, и почти сферическим гало разреженных старых звёзд и шаровых скоплений вокруг всего этого. Солнце находится в диске, на расстоянии около 26–27 тысяч световых лет от центра, и обращается вокруг него вместе со всем ближайшим окружением. Диск закручен в спиральные рукава — вытянутые области повышенной плотности газа, пыли и молодых ярких звёзд.

Одна и та же сила лепит разные формы

В 1926 году Эдвин Хаббл предложил разделить галактики по форме на несколько основных видов: спиральные — с закрученными рукавами вокруг диска; спиральные с перемычкой — где рукава начинаются не прямо от центра, а от вытянутой звёздной перемычки через ядро; эллиптические — гладкие сфероиды без всякой спиральной структуры и почти без свежего газа для рождения новых звёзд; и неправильные — галактики без ясной симметричной формы вообще, часто небольшие, часто искажённые близким соседом. Эта схема, которую иногда рисуют в виде камертона, остаётся рабочим языком классификации галактик и сегодня, хотя происхождение и переходы между формами продолжают уточняться.

У старых и молодых звёзд разные адреса

В 1944 году астроном Вальтер Бааде, наблюдая ночное небо военного затемнённого Лос-Анджелеса, различил в туманности Андромеды два явно разных населения звёзд по цвету и распределению: голубоватые молодые звёзды концентрировались в диске и рукавах, а красноватые старые — в центральном балдже. Так возникло деление на звёздное население I — молодое, богатое тяжёлыми элементами, сосредоточенное в диске — и население II — старое, бедное тяжёлыми элементами, характерное для балджа, гало и шаровых скоплений из прошлой главы. Тяжёлые элементы в звёздах населения I — это как раз то вещество, которое успели произвести и рассеять по Галактике предыдущие поколения звёзд, красных гигантов и сверхновых.

Секундомер вместо рулетки

Расстояние до ближайших звёзд измеряют параллаксом, но параллакс перестаёт работать уже на расстоянии до соседних галактик — угол становится слишком мал для любого прибора. Здесь на помощь приходит переменная звезда особого типа. В 1908 и 1912 годах Генриетта Ливитт, изучая переменные звёзды в Малом Магеллановом Облаке, обнаружила, что чем медленнее мигает такая звезда — цефеида — тем она ярче по-настоящему, и эта связь описывается плавной кривой, а не разбросом точек. Причина — в самой физике пульсации: слой частично ионизованного гелия в оболочке звезды работает как клапан, попеременно задерживая и пропуская излучение, а чем крупнее и ярче звезда, тем медленнее идёт весь цикл.

Зная период мигания, можно узнать истинную светимость цефеиды по калиброванной зависимости; сравнив её с видимым блеском, можно вычислить расстояние — тем же способом, что применялся к обычным звёздам в главе о них, только источником светимости здесь служит не спектр, а секундомер.

Дальше вверх по лестнице

Цефеиды видны только в относительно близких галактиках — их удаётся различить по отдельности лишь на определённом расстоянии. Для более далёких объектов используют следующую ступень: вспышки сверхновых типа Ia, возникающие при строго определённых условиях и потому демонстрирующие похожую истинную яркость в момент максимума блеска, — их можно откалибровать по цефеидам в тех же галактиках, где видны и то, и другое, и использовать дальше как самостоятельный ориентир.

Вращение выдаёт невидимую массу

В 1970-х годах астрономы Вера Рубин и Кент Форд измерили скорости вращения газа в разных частях диска нескольких спиральных галактик, включая Андромеду. По одной лишь видимой массе скорость должна была падать с удалением от центра — так же, как скорость планет падает с удалением от Солнца. Вместо этого кривая вращения оставалась почти плоской далеко за пределами видимого диска: газ на окраине двигался почти так же быстро, как ближе к центру. Единственное известное объяснение — вокруг и внутри видимого диска должно находиться значительно больше массы, чем излучает свет: тёмная материя. С тех пор эту массу подтвердили независимо гравитационным линзированием и данными о крупномасштабной структуре Вселенной, но что она такое на уровне частиц, прямых лабораторных подтверждений пока нет.