Проводим наблюдение за звездным небом

Можно ли разобраться в бесчисленном количестве звезд, наблюдаемых в ясную ночь? Вглядитесь внимательнее, и вы увидите, что далеко не одинакова их яркость. Более яркие образуют в различных частях неба целые группы — созвездия, которые по причудливым очертаниям иногда напоминают какие-то фигуры. В древности люди ассоциировали эти фигуры с животными или сказочными, фантастическими существами. Так появились на небе Змея, Скорпион, Дельфин, созвездия, носящие имена героев сказок и легенд. Старинные названия созвездий сохранились до наших дней.

Пожалуй, самое красивое созвездие нашего северного неба — это зимнее созвездие Орион. По древним сказаниям, Орион — небесный охотник: он идет на охоту в сопровождении двух собак (вблизи созвездия Орион находятся созвездия Большого и Малого Пса), а три яркие звезды образуют «пояс» Ориона, на котором висит его «меч». Самая яркая звезда в этом созвездии — Бетельгейзе — сверкает в «плече» Ориона, вторая по яркости звезда — Ригель — украшает «сандалию» охотника. Орион замахнулся на громадного рогатого Тельца, глаз которого (красноватая яркая звезда Альдебаран) как бы «налился кровью».

Так образно воспринимали люди эту область неба в далеком прошлом. Они видели в ней звезды разной яркости (всего около 120). Они обратили внимание на пересекающую все небо широкую полосу Млечного Пути, которая проходит через верхнюю часть созвездия Орион. Наконец, они заметили и сравнительно небольшое туманное «пятнышко», как бы окружающее среднюю звезду «меча» Ориона. Но наши далекие предки ничего не знали ни о природе звезд, ни о том, что представляет собой Млечный Путь, и, конечно, менее всего могли догадываться, например, о том, что особый интерес будет проявлен к упомянутому туманному «пятнышку», получившему впоследствии название Большой туманности Ориона.

Бетельгейзе в фокусе телескопа

Шли века. Человек создавал все новые и новые астрономические приспособления. Он взбирался на горы, «поближе» к небу, но звезды упорно хранили свои тайны: человек смотрел на них невооруженным глазом. И только изобретение телескопа позволило сделать первый шаг на пути познания звезд.

В чем преимущество телескопа? Многие думают, что главная «сила» его в увеличении, иначе говоря, в том, что он позволяет видеть далекий предмет большим, чем его видит невооруженный глаз. Это не совсем так. На самом деле назначение телескопа, прежде всего — собрать как можно больше света, излучаемого далекими светилами. Чем больше диаметр объектива телескопа (линзы или зеркала), тем лучше выполняет он эту свою главную задачу. Линза или вогнутое зеркало, собирая лучи света от небесного светила (или участка неба), строит изображение в фокальной плоскости телескопа.

Когда телескоп направлен на близкое космическое тело (Луну, планету), то изображение его в фокальной плоскости, рассмотренное при помощи еще одной линзы или системы линз, называемой окуляром, позволяет рассмотреть многие детали, невидимые невооруженным глазом. Звезды же так далеки от нас, что даже в самые большие телескопы продолжают быть видны в виде точек.

Великое значение телескопа, следовательно, не в том, что он увеличил видимые размеры звезд. Телескоп дал нам более реальное представление о числе звезд, позволил разгадать природу Млечного Пути, туманностей, короче говоря, он коренным образом изменил привычную для нас картину звездного неба.

Это изменение стало особенно ощутимым, когда астрономы стали использовать в сочетании с телескопом не глаз, а фотографическую пластинку. Она обладает драгоценным для науки качеством: может «накапливать» свет.

Представим себе какую-нибудь очень слабую звезду, которую не видит человек даже с самым острым зрением. Но вот на нее направили телескоп. И в телескоп ее не видно, хотя он «улавливает» от этой звезды света во столько раз больше, во сколько раз его объектив больше зрачка нашего глаза.

А фотографическая пластинка, «посмотрев» в течение нескольких часов на эту звезду, даст знать о ней черной точкой на негативе. Когда астрономы стали фотографировать небо при помощи мощных современных телескопов (диаметр самого большого в мире телескопа 5 метров), то звездный мир открылся им как бы заново. Полоса Млечного Пути перестала быть непонятной белой «туманностью». Оказалось, что свечение Млечного Пути обусловлено свечением слабых звезд. Их так много и они настолько далеки от нас, что кажутся невооруженному глазу почти сплошной белой полосой.

Неизмеримо возросло число звезд, наблюдаемых в границах созвездия Орион. Значительно расширились и знания о природе давным-давно известных звезд. Например, выяснилось, что Ригель, которую глаз видит как одну звезду, на самом деле звезда двойная, то есть представляет собой две близкие звезды, движущиеся вокруг общего центра тяжести. А Бетельгейзе оказалась еще более необычной звездой. Это одна из тех звезд, блеск которых с течением времени меняется. Такие звезды называют переменными. Есть переменные, у которых изменение блеска происходит периодически, с периодом в несколько часов или несколько дней. У Бетельгейзе изменение блеска происходит более сложно, непериодически. Это так называемая неправильная переменная.

Телескоп помог разгадать и природу целого ряда загадочных, туманообразных объектов, Оказалось, что туманности, воспринимаемые «на глаз» как одинаковые, имеют на самом деле совершенно разную природу. Одни из них, как, например, Большая туманность Ориона, представляет своеобразные, действительно клочковатые по структуре, гигантские облака, состоящие из газа и космической пыли. В созвездии Орион обнаружено несколько таких туманностей как светлых, так и темных. Но глазу представляются туманностями и такие объекты, которые ничего общего с ними не имеют. Телескоп показал, что это целые звездные миры — галактики, состоящие из миллиардов звезд, подобно нашей звездной системе Млечного Пути. Они очень далеки от нас и видны только в самые мощные телескопы.

Телескоп и фотографическая пластинка широко раздвинули границы доступной изучению части Вселенной. Но наши знания о природе небесных тел были бы весьма неполными, если бы на помощь астрономам не пришло еще одно замечательное средство исследования — спектральный анализ.

О чем рассказал спектр туманности Ориона

Применение спектрального анализа открыло новые возможности в изучении физической природы и химического состава далеких небесных объектов.

Спектрограф, присоединенный к телескопу, позволяет получить спектр изучаемой звезды или туманности. Как расшифровать сведения, приносимые спектром? Известно, что атомы различных элементов имеют совершенно различные спектры, по которым можно всегда распознать тот или другой элемент. Светящийся газ дает спектр в виде отдельных спектральных линий — это линейчатый спектр излучения. Раскаленные вещества и горячие газы, находящиеся под высоким давлением, имеют спектр в виде цветной полоски, содержащей все цвета радуги, — это так называемый непрерывный спектр. Если же перед раскаленным источником поместить более холодное газообразное вещество, то в непрерывном спектре мы обнаружим присутствие характерных для этого вещества темных линий в тех же местах, где тот же раскаленный газ дает яркие линии. Так образуется линейчатый спектр поглощения. Состав вещества можно определить, изучая как спектр излучения, так и спектр поглощения.

Направленный на звезды спектрограф показал, что их спектр — непрерывный с линиями поглощения. Такой спектр образуется в поверхностных слоях звезды, а линии поглощения — в ее атмосфере. О чем это говорит? Прежде всего, о температуре поверхности звезды. У горячих звезд ярче голубая часть спектра, а у холодных — красная. Соответственно этому температура поверхности голубого Ригеля оказалась около 20 000°, красной звезды Бетельгейзе — примерно 3 500°, а нашего Солнца — близкой к 6 000°.

Линии в спектрах звезды позволили установить также ее химический состав. Звезды состоят из тех же химических элементов, что и все тела на Земле. Основную массу любой звезды составляет водород, на втором месте гелий в небольших количествах имеются другие химические элементы.

Измеряя точные положения спектральных линий в спектре звезды и зная их теоретические положения, можно вычислить направление и скорость движения звезды по лучу зрения. Если звезда приближается к нам, то ее спектральные линии будут смещены в фиолетовую сторону спектра, а при удалении — в красную сторону. Так было установлено, что Бетельгейзе и Ригель удаляются от нас со скоростью около 20 км/сек.

Интересно, что спектр Большой туманности Ориона оказался линейчатым спектром излучения. Отсюда был сделан вывод, что вещество туманности находится в газообразном состоянии. По ярким линиям в спектре легко обнаружили водород. Но, кроме линий водорода, там очутились еще и «небесные» линии, так как на Земле нет вещества с таким спектром. Ученые решили, что таинственные линии принадлежат еще неизвестному элементу. Он получил название «небулий» (от латинского названия туманности). Шли годы, а небулий так и не был обнаружен в земных лабораториях. Лишь тридцать лет назад было доказано, что таинственный небулий вообще не существует, а линии принадлежат хорошо известному на Земле элементу — кислороду, но находящемуся в туманности в совершенно особых физических условиях. Выяснение этого условия явилось важнейшим этапом развития физики туманностей.

Теперь точно установлено, что туманности состоят из обычных химических элементов, свечение которых возбуждается излучением находящихся поблизости горячих звезд. Но у атомов кислорода и других элементов, излучающих характерные для туманности линии, «оторвано» по 2—3 и даже больше электронов, а вещество в туманностях находится в крайне разреженном состоянии. Это и определяет особенности их спектра.

В туманностях, кроме газа, содержится большое количество космической пыли, обнаруживаемой в виде темных «провалов» на фоне светящихся газовых масс. Среди темных туманностей созвездия Орион имеется известная туманность «Конская голова». Масса Большой туманности Ориона очень велика. Внутри нее находится несколько горячих звезд, которые возбуждают свечение этой туманности. Такое близкое сосуществование молодых звезд и газово-пылевых туманностей привлекает к себе особое внимание астрономов, так как изучение этих объектов может помочь уяснить многое о процессах развития и происхождения звезд.

За последние годы наши знания о небесных объектах возросли не только благодаря усовершенствованию инструментов и методов исследования. На вооружение науки поступают новые, более мощные телескопы и спектрографы, используются фото- и термоэлементы. Наряду с ними астрономы применили средства и методы, которые позволяют проникать в совершенно недоступные ранее области, далекие от видимого участка спектра. Речь идет о радионаблюдениях и о «вторжении» в ультрафиолет.

Немногим более четверти века назад было открыто, что различные небесные светила наряду с видимым светом излучают радиоволны. На основе этих открытий возникла новая плодотворная наука — радиоастрономия, которая значительно пополнила наши знания о природе небесных объектов. Достижения радиоастрономии настолько велики и многообразны, что даже кратко рассказать о них в рамках одной статьи невозможно.

Но нас в данном случае интересует, прежде всего, созвездие Орион. Какой вклад внесла радиоастрономия в изучение этой области неба? Пожалуй, наиболее показательны результаты исследования знаменитой Большой туманности Ориона.

Вспомним, что в составе туманностей больше всего самого легкого газа — водорода и что вблизи туманности Ориона имеется несколько голубых горячих звезд. Под действием излучения таких звезд происходит так называемая ионизация водорода (атом водорода теряет свой электрон), который при этом приобретает способность излучать радиоволны. Не удивительно поэтому, что туманность Ориона оказалась мощным источником радиоизлучения. Анализ этого излучения позволил узнать много нового о физическом состоянии вещества в космических туманностях. Радионаблюдения, по сравнению с обычными оптическими наблюдениями, имеют то преимущество, что радиоволны беспрепятственно проходят через пылевые облака, не пропускающие видимое излучение.

Поэтому новые данные помогли уточнить значение массы туманности Ориона: она не превышает 1 000 солнечных масс и является лишь «небольшим» вкраплением в гигантском облаке нейтрального водорода, обнаруженном радионаблюдениями в области Ориона. Это облако диаметром около 300 световых лет имеет общую массу, примерно в 50—100 тысяч раз большую, чем наше Солнце!

Радионаблюдения подтвердили открытие ученого П. П. Паренаго, который обнаружил расширение всей системы звезд и туманностей области Ориона. По-видимому, несколько миллионов лет назад в Орионе образовались горячие звезды, которые с большими скоростями стали двигаться в разные стороны. В настоящее время известно несколько звезд, расходящихся от центра Ориона со скоростью 100 км/сек.

В далеком ультрафиолете

Интересные результаты получены при исследовании Большой туманности Ориона в противоположной области спектра — в далеком ультрафиолете (невидимом глазом излучении с длиной волны короче 4 000 ангстрем). Эксперименты в этой области спектра стали возможными, благодаря огромным успехам в запусках космических ракет и искусственных спутников Земли. Раньше подобные работы были невозможны, так как на высоте около 30 километров над Землей находится слой озона (трехатомный кислород), который полностью задерживает все излучения с длиной волны короче 2 900 ангстрем. Ракеты с научной аппаратурой, поднимающиеся на высоту более 100 км, преодолевают озонный барьер и позволяют зарегистрировать излучение ультрафиолетовых и рентгеновских лучей.

Среди первых объектов, изученных в ультрафиолетовой области, оказалась и туманность Ориона. Хотя центр области свечения в видимых и ультрафиолетовых лучах совпадает, но во втором случае туманность выглядела значительно обширнее. Кроме того, астрономы совершенно не ожидали, что свечение туманности в далеком ультрафиолете окажется таким интенсивным. Дальнейшие исследования этого интереснейшего объекта покажут, какова природа этого свечения, и позволят выявить другие, еще неизвестные свойства. Так на примере небольшого участка неба можно увидеть, что по мере развития науки и техники все дальше и дальше отодвигаются границы исследуемой части Вселенной, все глубже проникают люди в ее тайны.

Автор: В. Ф. Есипов.