Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Теерикор Пекка - Страница 72

Рис. 21.10. Эдвин Хаббл нашел в Туманности Андромеды цефеиды и использовал их для определения расстояния. На этом фото показана примерно в 20 раз более далекая галактика М100, расстояние до которой было определено спустя 70 лет тем же способом. Тогда как обычная звезда на разных фото выглядит одинаково, переменная звезда со временем меняет свой блеск. Благодарность: HST. NASA, W. Freedman (CIW), R. Kennicutt (U. Arisona), J. Mould (ANU).

Классификация объектов исследования считается одной из ключевых задач науки еще со времен Аристотеля. Он понимал, что, сгруппировав природные явления по типам в соответствии с их важнейшими характеристиками, можно многое узнать об окружающем мире. У галактик намного больше свойств, чем может заметить глаз; но даже первое, что видит глаз, — внешний вид галактик, может дать ключ к пониманию их природы. Уже Вильям и Джон Гершели, основываясь на своих наблюдениях в телескоп, начали классифицировать туманности. Позже фотографии показали, что кроме спиралей есть много других типов туманностей. В 1926 году Хаббл пришел к выводу, что большинство галактик можно разделить на два больших класса — спиральные и эллиптические.

Рис. 21.11. (а) Эдвин Хаббл у телескопа, (б) «Камертонная» диаграмма Хаббла с фотографиями соответствующих типов галактик.

Эллиптические галактики (Е, от elliptical) выглядят как довольно однородные сферические или сплющенные пятнышки света, более яркие в центре и тускнеющие к краям. Степень их сферичности обозначается цифрами (Ео) — сферическая, (Е7) — очень сплюснутая. Спиральные галактики делятся на две группы: нормальные спирали (S) и спирали с перемычкой (SB, где В — от bar). У нормальных галактик спирали выходят из центра галактики, а у галактик с перемычкой они начинаются от концов перемычки. В зависимости от компактности спиралей, их делят еще и на подклассы Sa, Sb и Sc (а галактики с перемычкой — SBa и т. д.). Самые плотно закрученные спирали относятся к классу Sa, а самые рыхлые — к Sc. Хаббл выделил еще и промежуточный класс S0 (эс ноль); эти галактики такие же плоские, как спиральные, но при этом почти такие же гладкие, как эллиптические. Все эти типы представлены на «камертонной» диаграмме Хаббла (рис. 21.11).

Наша Галактика относится к типу SBb или SBc; трудно определить ее точную структуру, не имея возможности выйти и посмотреть на нее снаружи. Наблюдение в инфракрасном диапазоне, где искажение пылью не так велико, как в оптическом, показывает наличие перемычки в центре нашей Галактики. Прекрасный образец галактики с перемычкой (NGC 1300) показан на цветной вкладке (фото 20).

Почти каждую галактику можно отнести к одному из типов по Хабблу, так что и сегодня эта классификация весьма полезна. Подобно Гершелю, Хаббл полагал, что выстроенная им последовательность галактик может представлять разные стадии их эволюции. Но теперь мы знаем, что это не так. Тем не менее, кроме своей простоты, эта классификация очень полезна еще и тем, что внешний вид галактики тесно связан с ее физическими характеристиками, которые прямо не видны на фотографии, такими как скорость вращения и масса.

На врезке 21.1 приведены данные о некоторых галактиках — членах, как называл ее Хаббл, Местной группы, в которую входит и наша Галактика (рис. 21.12). Видно, что по сравнению с Галактикой большинство соседних звездных систем имеют малую массу и низкую светимость. Большая часть массы Местной группы заключена в двух ее крупнейших галактиках — в Туманности Андромеды и в нашей Галактике. На врезке 21.1 приведены данные и о других ближайших галактиках разных типов, расположенных по соседству с Местной группой.

Современная система классификации — это модифицированная система Хаббла. Промежуточные случаи обозначены двумя буквами: Sab лежит между Sa и Sb. Sd — это самый конец, спирального ряда, после Sc. I — неправильная (irregular) галактика, m — типа Магеллановых Облаков, dE — карликовая эллиптическая (dwarf elliptical) галактика.

Некоторые из приведенных расстояний определены с большими ошибками, которые отражаются в значениях светимости и диаметра.

Рис. 21.12. Основные галактики Местной группы. Отметим обилие спутников у нашей Галактики и Андромеды.

Когда в 1914 году Слайфер начал измерять лучевые скорости галактик, для него оказалось полной неожиданностью, что почти у всех галактик линии смещены в красную сторону спектра. Если это красное смещение вызвано движением (эффект Доплера), то похоже, что галактики убегают от нас. Уже в 1917 году Виллем де Ситтер разработал модель Вселенной, основанную на общей теории относительности, которая предсказывала красное смещение для далеких объектов. Эта модель конкурировала со статической моделью Вселенной, разработанной Эйнштейном и не предсказывающей красного смещения. На самом деле это была довольно странная модель: в ней предполагалось, что Вселенная не содержит вещества. Но даже если реальный мир просто «беден» веществом, в нем должен был проявиться «эффект де Ситтера»: красное смещение должно быть больше у более далеких источников света. Это вдохновило астрономов, включая и Эдвина Хаббла, на исследование — зависит ли красное смещение туманностей от расстояния до них.

У Хаббла был способный помощник, легендарный Милтон Хьюмасон (1891–1972), который с помощью большого 100-дюймового телескопа фотографировал спектры галактик (ранее такие измерения проводил Слайфер на 61-см телескопе Ловел-ловской обсерватории). Бросив учебу в школе, Хьюмасон стал погонщиком мулов в обозе, курсировавшем между городком Сьерра-Мадре и горой Маунт-Вилсон во время строительства обсерватории. В 1911 году он женился на дочери инженера обсерватории и стал управляющим на ранчо родственника, но в 1917 году поступил на работу в обсерваторию — сначала привратником, а вскоре был повышен до ночного помощника. В 1919 году директор обсерватории Джордж Хейл узнал о выдающихся способностях Хьюмасона как наблюдателя и перевел его в штат научных сотрудников. Так в конце концов Хьюмасон стал астрономом-самоучкой. За свою карьеру он измерил красные смещения 620 галактик (рис. 21.13).

В 1929 году Хаббл опубликовал свое фундаментальное открытие — зависимость красного смещения галактики от расстояния до нее. Некоторую связь между этими величинами заметил еще Кнут Лундмарк, но работа Хаббла впервые показала, что красное смещение прямо пропорционально расстоянию.

С тех пор этот результат много раз подтверждался наблюдениями более далеких галактик. Если из красного смещения вывести скорость, то эта зависимость примет форму знаменитого закона Хаббла:

Скорость удаления = Постоянная Хаббла x Расстояние.

Широко известная интерпретация этого важнейшего закона гласит, что в мире галактик расстояния действительно увеличиваются, или, попросту говоря, Вселенная расширяется. Заметим, что на самом деле мы не «видим» движение галактик, а определяем его по небольшому сдвигу (красному смещению) спектральных линий (рис. 21.14).

Рис. 21.13. Группа знаменитых ученых у портрета Дж. Хейла в 1931 году. Слева направо: М. Хьюмасон, Э. Хаббл, Ч. Сент-Джон, А. Майкельсон, А. Эйнштейн, У. Кэмпбелл и У. Адамс. Заметим, что Сент-Джон в 1922 году показал, что атмосфера Венеры почти лишена воды и кислорода. Адамс (директор обсерватории Маунт-Вилсон) доказал, что Сириус В — это белый карлик, а Кэмпбелл, глава Ликской обсерватории, был знаменитым специалистом по спектроскопии. С разрешения Библиотеки Хантингтона.