«Сверхглубокое поле “Хаббла”» — «окно» в очень далекие регионы Вселенной. Почти каждая световая точка на этом снимке — это галактика, открытая, когда телескоп «Хаббл» снимал небольшие участки космоса (около 10 % диаметра полной Луны) с очень длинной выдержкой. Здесь можно различить детали этих относительно близких к нам, но все же очень далеких галактик, среди которых ясно выделяются спиральные и эллиптические. Однако определить формы и размеры самых дальних из них практически невозможно: на снимке это светлые и красные точки размером всего в несколько пикселей. Тем не менее обнаружение этих галактик крайне важно для науки, так как оно позволит узнать больше о том, какими были галактики в эпоху ранней юности Вселенной. Свет от самых дальних галактик, изображенных на снимке, возник, когда Вселенной было всего полмиллиарда лет. Через эту фотографию мы смотрим в прошлое
Отведя взгляд от полоски Млечного Пути, мы начнем рассматривать пространство над или под галактическим диском — область действительно глубокого космоса, за пределами Галактики. Вдали от ближайших к нам звезд, за пределами диска, простирается тихая и темная бездна, таящая в себе другие галактические миры. Их много — сотни и сотни миллиардов. Увы, пока мы не можем получить их четкое изображение: куда бы мы ни посмотрели, взгляд устремляется сквозь материю нашей Галактики, не говоря уже о сиянии Солнца, которое заполняет небеса. Заниматься внегалактической астрономией — все равно что стоять у подножия гигантского дуба в густом лесу и пытаться увидеть за ним другие деревья. Чтобы разглядеть другие галактики, мы должны смотреть на пространства, лежащие по краям от усеянного звездами галактического диска Млечного Пути. Регион космоса в области галактической плоскости так ярок и плотно набит межзвездным веществом, что практически не пропускает свет, излучаемый дальней частью Вселенной. Изучая другие галактики, мы даже не смотрим в эту область: для нас она — зона избегания.
Состав Галактики
Наша Галактика представляет собой гигантское скопление звезд, собранных в дискообразную структуру. Это сложно понять сразу, так как у нас не самая удачная наблюдательная позиция — прямо из глубин самого диска. В ночном небе мы видим лишь ближайшие к Земле звезды и упускаем полную картину — точно так же невозможно оценить и масштаб бескрайних дождевых лесов Амазонки, стоя в их центре. Лишь изучая дальние галактики, мы сможем понять, как выглядит «лес» целиком. Чтобы изучать их, мы должны больше узнать о том, из чего же, — помимо звезд, — они состоят. Млечный Путь, как ни удивительно, — самая обычная среднестатистическая галактика. Даже быстрый обзор его содержимого подготовит нас к исследованию других галактик Вселенной.
Итак, мы уже знаем, что бо́льшая часть звезд Млечного Пути рассредоточена по его диску. В центре диска находится звездный балдж, отличающийся несколько более сферической формой. Если бы Млечный Путь был яичницей, то его балдж — это желток. По причинам, которые мы исследуем позже, звезды балджа отличаются от звезд диска: в основном все они старше. На самом диске звезды распределены неравномерно: некоторые регионы населены более плотно и напоминают формой спираль. Самые молодые звезды мы находим именно в них: новые звезды образуются в спиральных рукавах галактического диска.
«Глубокое поле "Чандры" — Юг» (англ. Chandra Deep Field South) — это внегалактическое исследование одного из регионов глубокого космоса — «пустого поля», значительный вклад в которое внесло множество разных телескопов. Целью проекта был поиск для наблюдения части неба, где отсутствовали бы известные объекты всеобщего интереса (скажем, большая соседняя галактика), чтобы астрономы могли проводить непредвзятое слепое исследование большого количества галактик, видимых на разных стадиях красного смещения, то есть на разных этапах космических эпох. Это оптическое изображение размером с полную Луну, а время выдержки при его съемке составляет два дня. Наблюдая за нашей Галактикой, мы видим лишь бесконечную череду звезд, но за ее пределами — мириады галактик, и наш мир — лишь один из множества
Как и Земля, вращающаяся вокруг Солнца, весь галактический диск Млечного Пути крутится подобно юле, перемещая всю Солнечную систему по галактической орбите. В радиусе Солнца скорость вращения диска составляет примерно 200 км/с, а на полный оборот вокруг центра Галактики у нас уходит почти 250 млн лет. Таким образом, с момента своего возникновения Земля совершила почти 20 полных оборотов по орбите Млечного Пути. Как вы узнаете дальше, Млечный Путь, как и другие галактики, представляет собой крайне динамичную сущность, не знающую покоя.
Рассмотрим другие составляющие Галактики. Пространство между звездами заполняет газ различной плотности и температуры и формирует то, что мы называем межзвездной средой. По большей части газ состоит из водорода — самого простого, легкого и распространенного элемента во Вселенной, атом которого состоит из одного протона и одного электрона, связанных вместе. Межзвездный газ пребывает в трех состояниях: атомарном (образуется соединением отдельных атомов), молекулярном (образуется соединением двух и более атомов, связанных вместе за счет молекулярного взаимодействия), и, наконец, ионизированном (возникает, когда столкновения между атомами из-за повышения температуры или значения напряжения внутреннего электрического поля привели к отрыву электронов от атомов газа). Хотя бо́льшую часть межзвездной среды составляет водород, в ней присутствуют и другие микроэлементы, например углерод и кислород. Этих веществ еще не было на этапе зарождения нашей Вселенной — они сформировались позже в ходе эволюции галактик, в частности благодаря участию газа в круговороте материи при звездообразовании.
На диске нашей Галактики более молодые звезды рассредоточены в местах скопления газа. Звезды формируются в гигантских облаках молекулярного водорода; одно такое облако может дать жизнь целому поколению звезд. Из-за воздействия гравитации частицы газа сближаются и образуют скопления, что приводит к возникновению островов звездообразования по всему диску Галактики, особенно внутри спиральных рукавов, где плотность газа выше всего. Звезда зажигается, когда гравитационный коллапс сжимает достаточное количество газа для образования холодного молекулярного ядра. Когда плотность достигает нужного уровня, атомы ядра начинают сталкиваться друг с другом, выделяя при этом огромное количество энергии. При сжатии энергия гравитационного поля переходит в основном в тепло и излучение, и объект нагревается. Когда температура в центре достигает 15–20 млн кельвинов (К), запускаются термоядерные реакции, и сжатие прекращается.
Объект становится полноценной звездой. В процессе коллапса облака, если его фрагменты случайно распадутся из-за воздействия турбулентности или других изменений плотности газа внутри него, может одномоментно образоваться множество звезд. Рожденные рядом звезды из такого выводка становятся скоплением, элементы которого дрейфуют в пространстве и со временем удаляются друг от друга.
Это увеличенное изображение центральной части Млечного Пути, на заднем плане которого ясно видно затемнение звездного пространства межзвездной пылью, сгущающейся на плоскости диска. Местами мы можем увидеть пятна диффузного излучения: синего цвета — от свечения молодых звезд, рассеянного и отраженного частицами газа и пыли, и красно-розового — от свечения ионизированного водорода (HII) в местах зарождения новых звезд
После того как звезды зажглись, в их ядре запускаются термоядерные реакции, результатом которых становится выброс энергии в форме ультрафиолетовых и видимых лучей света. Эта радиация мгновенно воздействует на несгоревший газ, оставшийся в околозвездном диске: она заряжает его высокоэнергетическими протонами исоздает пузыри ионизированного газа, заставляя его светиться. Такое свечение туманности с головой выдает места формирования звезд в любой галактике. Ионизация — это процесс, в ходе которого достаточно заряженный протон отрывает электрон от атома (или молекулы). В определенный момент этот электрон может вернуться к своему или любому другому атому, утратившему электрон, но для этого ему придется высвободить всю полученную при отрыве энергию, испустив фотон. Однако есть одна особенность: такое «повторное излучение» приводит к высвобождению фотонов с крайне специфической энергией, что обусловлено квантово-механическими причинами. Мы можем представить электроны сидящими на абстрактных энергетических уровнях вокруг атомов, примерно как на ступеньках лестницы, где разница в ступеньках — это разница в энергетических уровнях. Энергия фотона прямо пропорциональна его частоте, которую мы воспринимаем как цвет. Поэтому когда новые звезды освещают свои родные облака водорода, каждое облако светится своим специфическим цветом. Мы называем этот свет H-альфа: он имеет темно-красный цвет с длиной волны 656,28 нм, а эти светящиеся облака — областями HII, или областями ионизированного водорода (HI — символ нейтрального неионизированного водорода, а HII — ионизированного). На протяжении книги мы будем возвращаться и к другим газовым компонентам галактик.
