Сверхзвезды и их значение в астрономии

Нет, речь идет не об огромных застекленных хранилищах книг или стеклянных книжных шкафах. Стеклянные библиотеки астрономических обсерваторий и институтов — нечто совсем иное. Это хранилища многих тысяч негативов, на которых запечатлены сотни тысяч звезд, звездных скоплений, туманностей и других небесных объектов. Каждый участок неба сфотографирован много раз. Если за это время блеск какой-нибудь звезды менялся, если возникла после вспышки новой звезды газовая туманность, короче, если произошли какие-то изменения на звездном небе, в документах стеклянной библиотеки все это будет отражено с фотографической точностью. Причем, ради возможно большей точности, астрономы всегда предпочитают иметь дело с негативами — при печатании позитивов могут выпасть мелкие детали, или, наоборот, появится то, чего нет на небе. Ведь был же случай, когда мелкий дефект на много лет спрятал от ученых неизвестную галактику.

Объекты, получившие в последнее время наименование «сверхзвезд», были давно и многократно зарегистрированы в ряде стеклянных библиотек. Внешне они ничем не отличались от великого множества обычных звезд. Такие же темные пятнышки без всяких признаков структуры, в отличие, например, от газовых туманностей или не очень далеких галактик. Правда, неподалеку от двух из них замечены какие-то слабые туманности. Но, в общем, звезды как звезды. Такими их считали, и таковыми они числились во всех звездных каталогах. Никто и не подозревал, что за этой обманчивой внешностью таится нечто, способное изумить даже самых уравновешенных астрономов.

«Истинные радиозвезды»

Когда звездная радиоастрономия делала еще первые шаги, широкое распространение получил термин «радиозвезды». Так называли «точечные» источники космического радиоизлучения. Начиная с 1946 года в течение нескольких лет на звездном небе были найдены сотни радиозвезд. Кое-кто из астрономов склонялся к мнению, что это какие-то близкие небесные тела, быть может, даже принадлежащие солнечной системе. Создавалась атмосфера таинственности: по соседству с нами есть невидимые глазом ни в один телескоп странные тела, излучающие радиоволны, иногда почти столь же интенсивно, как Солнце.

Это заблуждение оказалось временным. Когда радиотелескопы стали зорче, сразу выяснилось, что радиозвезды не точки, что они имеют и длину и ширину. Это протяженные объекты неправильной формы. Из всех известных небесных тел на них похожи в этом только туманности — как газовые, так и «внегалактические» (то есть другие галактики). И действительно, постепенно почти все таинственные радиозвезды были «разоблачены», отождествлены с уже открытыми до того астрономами туманностями и галактиками.

Почти все, но все-таки не все. Загадочными остались и те пять звездообразных объектов, которые теперь, в конце концов, пришлось назвать сверхзвездами. Казалось, к ним лучше всего подошел бы старый термин «радиозвезды». В самом деле — это были точечные (и для современных телескопов — тоже) источники света, излучающие радиоволны.

Но… обычные звезды, бесспорно, излучают естественные радиоволны. Можно думать, что в общих чертах механизм радиоизлучения у Солнца и у звезд примерно одинаков. Радиоизлучение нашего светила условно делят на две разновидности. Одна из них — это «спокойное» тепловое радиоизлучение, вызванное высокой температурой Солнца, его атмосферы и короны. Другая разновидность — гораздо более мощное, нетепловое радиоизлучение «возмущенного» Солнца. Оно связано с солнечными пятнами и другими проявлениями солнечной активности. Иногда наблюдаются «радиовсплески», в миллионы раз превосходящие по мощности радиоизлучение спокойного Солнца.

И все-таки (это нетрудно подсчитать), если бы Солнце удалилось от нас на расстояние звезд, его радиоизлучение (даже «возмущенное») оказалось бы далеко за порогом чувствительности самых лучших современных радиотелескопов. Мало того, хотя каждая из звезд, бесспорно, является источником радиоволн, даже суммарное радиоизлучение десятков миллиардов звезд нашей Галактики в триллионы раз слабее того, которое пока могут уловить наши радиотелескопы.

Значит, пять «истинных радиозвезд» никак не могут быть звездами в обычном, общепринятом понимании этого слова. Пять объектов, значащихся в звездных каталогах под условными обозначениями ЗС—48, ЗС—147, ЗС—196, ЗС—273 и ЗС—286, должны быть чем-то иным.

Галактики или сверхзвезды

Чтобы установить природу странных небесных тел, сфотографировали их световой спектр. И увидели совсем неожиданное! Спектры были совершенно незнакомыми. У большинства радиозвезд они не содержали не только хорошо известных и характерных для обычных звезд линий водорода. В них вообще с первого взгляда нельзя было обнаружить ни одной линии и какого-либо другого химического элемента. Картина, не имеющая физического смысла!

Наконец, после напряженных усилий, американскому астроному Джону Оуку в спектре объекта ЗС—273 удалось найти несколько знакомых линий. Но они оказались не на своем обычном месте в желто-зеленой и фиолетовой частях спектра, а в другом его конце, в областях желтых и красных лучей. Иначе говоря, в спектре объекта ЗС—273 знаменитое «красное смещение» достигает небывалой величины. Какой же вывод следует из этого? Смещение линий к красному концу спектра, как известно, явный признак удаления источника от наблюдателя. В этом заключается знакомый еще по школьному курсу физики знаменитый принцип Допплера-Физо. Чем быстрее удаляется источник света, тем больше «красное смещение» в его спектре.

Характерно, что в спектре практически всех галактик (а для далеких галактик это правило не имеет ни одного исключения) линии в спектре всегда смещены к красному концу спектра. И замечательно, что чем дальше от нас находится галактика, тем больше для нее величина «красного смещения». Грубо говоря, «красное смещение» пропорционально расстоянию до галактики. Именно в этом выражается хорошо известный «закон красного смещения», объясняемый ныне, как результат стремительного расширения всей наблюдаемой совокупности галактик. Этот факт уже не вызывает сомнений, хотя причины его не вполне ясны.

У наиболее далеких из известных до сих пор галактик «красное смещение» весьма велико. Соответствующие ему скорости удаления измеряются десятками тысяч километров в секунду. Но у объекта ЗС—273 красное смещение превзошло все рекорды. Получилось, что он уносится от Земли со скоростью 50 000 километров в секунду, что лишь в шесть раз меньше скорости света!

Если считать (а другой вариант немыслим), что объект ЗС—273 подчиняется общему закону красного смещения, легко вычислить, что расстояние от Земли до ЗС—273 равно двум миллиардам световых лет!

Чтобы облететь по экватору земной шар, лучу света нужно затратить чуть больше одной восьмой секунды. За восемь минут луч света долетит до Солнца, за 4 года — до ближайшей из звезд. А здесь — два миллиарда лет непрерывного сверхстремительного полета, время, сравнимое с продолжительностью жизни всей нашей планеты! Но и этот «рекорд» продержался недолго. Вскоре удалось исследовать спектры еще двух объектов.

Для объекта ЗС—48 расстояние, так же найденное по красному смещению, получилось равным 3,6 миллиарда световых лет, а для объекта ЗС—196 — даже 12 миллиардов световых лет! Пока это — самый далекий из небесных объектов. Мы уловили луч света, который был послан к нам еще тогда, когда ни Земли, ни Солнца не существовало! Объект ЗС—196 не только самый далекий, но и самый быстрый — его скорость удаления по лучу зрения достигает двухсот тысяч километров в секунду.

Два объекта, остающиеся неизученными, быть может, готовят нам новые сюрпризы. Казалось бы, объекты, столь далекие от Земли, должны быть доступными лишь наблюдателю, вооруженному самыми мощными современными телескопами. В действительности же все пять объектов очень ярки.

Например, ЗС—273 легко найти в созвездии Волосы Вероники, как звездочку 12,6 звездной величины. Такие звезды доступны даже любительским телескопам. Какими же чудовищными по мощности излучения должны быть эти источники света, если с расстояния в миллиарды световых лет они светят столь ярко! Можно подсчитать, что сила света загадочных объектов в несколько десятков раз больше мощности излучения самых крупных из известных галактик.

Может быть, это все-таки обычные галактики, только очень массивные и крупные? Можно было бы, пожалуй, принять такое объяснение, если бы московские астрономы А. С. Шаров и Ю. Н. Ефремов совершенно неожиданно не открыли новый факт. Они решили выяснить, как вели себя в прошлом странные «звезды». На помощь пришли стеклянные библиотеки.

На Московской обсерватории еще в позапрошлом веке создали такую библиотеку. Шаров и Ефремов внимательно просмотрели 73 негатива, на которых с 1896 по 1963 год был запечатлен объект ЗС—273. Пластинки далеко не всегда были хорошего качества. А главное, оценивать блеск объекта приходилось на глаз. Поэтому астронома П. Н. Холопова попросили провести контрольные исследования по пластинкам из другой стеклянной библиотеки. Конечные результаты получились сходными. И вывод, к которому пришли ученые, можно считать вполне достоверным.

А он поразителен. Оказалось, что ЗС—273 менял свою яркость, свой видимый блеск! И не чуть-чуть, а очень заметно — от 12,0 до 12,7 звездной величины, то есть более, чем в два раза. Бывали случаи (например, в период с 1927 по 1929 годы) когда за очень непродолжительное время блеск ЗС—273 возрастал в 3—4 раза!

Объяснить эти наблюдения ошибками исследователей невозможно: было подсчитано, что ошибки не могли превышать 0,1 звездной величины. Иногда за несколько суток, то есть за десятки часов, блеск объекта менялся на 0,2— 0,3 звездной величины. И при этом внешне, оптически, не происходило никаких других существенных изменений — странная «звезда» неизменно казалась звездой, хотя и меняющей свой блеск.

Подобное явление обнаружил у объекта ЗС—48 и американский астроном Сендейдж. Причем амплитуда колебаний получилась даже несколько большей — 0,4 звездной величины. И самое удивительное — ЗС—48 иногда изменял свой блеск от ночи к ночи, то есть за два-три десятка часов!

Тут есть чему поражаться. Известны тысячи переменных звезд, по разным причинам меняющих свой блеск. Но не было зарегистрировано ни одной переменной галактики. Хотя многие из них содержат тысячи и миллионы переменных звезд, колебания их блеска происходят вразнобой и столь несущественны для галактики в целом, что общее излучение галактик всегда остается практически неизменным. Ни один оптический инструмент мира не может уловить хотя бы малейшие колебания блеска какой-нибудь из галактик.

Остаются две возможности. Первая из них нелепа: звезды галактики сразу, как по команде, в одном ритме меняют свой блеск. С физической стороны такое объяснение настолько абсурдно, так противоречит всем нашим знаниям о космосе, что не заслуживает серьезного рассмотрения.

Остается лишь вторая возможность — странные объекты, сходные с галактиками по характеру «красного смещения» имеют физическую природу, совершенно отличную от галактик.

Это не протяженные, разбросанные на десятки тысяч световых лет звездные системы, а какие-то весьма компактные тела очень небольших сравнительно размеров, но колоссальной массы.

Относительно малые размеры могут объяснить быстроту колебаний блеска всего объекта в целом, а огромная масса — это единственно возможная (по современным представлениям) причина исключительной яркости, или, точнее, светимости небесного тела. Чем массивнее звезда, тем ярче она светит. Это — многократно проверенный закон космоса.

Итак, колоссальная масса и небольшие (по сравнению с галактиками) размеры. Количественно получается так: масса в миллионы раз превосходит массу Солнца (которая, кстати говоря, равна 2.1027 тонн!). Поперечник (здесь возможны разные варианты) в несколько раз больше поперечника земной орбиты. Как назвать такое тело? Давно известны сверхгигантские холодные красные звезды, диаметры которых превосходят поперечник земной орбиты. Поэтому с точки зрения размеров (и только в этом отношении!) новые объекты могут быть названы звездами.

Считалось, что самые тяжелые из обычных звезд примерно в 100 раз массивнее Солнца. Массы удивительных объектов еще в десятки тысяч раз больше. Значит, следует назвать их не просто звездами, а сверхзвездами.

Не только по массе, но и по мощности излучения сверхзвезды резко отличаются от всех доныне известных небесных тел. Даже сверхновые звезды бледнеют в сравнении со сверхзвездами. В момент чудовищного взрыва сверхновые звезды излучают света столько же, сколько несколько миллиардов Солнц. Сверхзвезды же — всегда в десятки тысяч раз ярче! Было бы, однако, наивно думать, что перечисленные факты исчерпывающе объясняют природу сверхзвезд. Мы вновь стоим здесь перед очередной загадкой космоса. Не только природа сверхзвезд, но и само их существование (в таком виде, как мы их описали) остается пока только гипотезой.

Десятилетиями сверхзвезды принимались за самые обычные, заурядные звезды. Когда радиотелескопы стали достаточно мощными и зоркими, удалось доказать, что именно эти пять звездочек интенсивно излучают радиоволны, а значит они есть нечто необычное. Анализ спектров, полученных с помощью самых совершенных современных инструментов, окончательно доказал, что открыты новые, удивительные небесные тела. За заурядной внешностью скрывалось нечто необычное. И оно стало явным лишь благодаря прогрессу техники исследования.

В этом частном (хотя и очень важном) эпизоде отражена общая картина развития современной внегалактической астрономии за последние годы. И разгадку природы сверхзвезд следует искать на общем фоне современных представлений о дальнем космосе. До последнего времени галактики в целом считались областями почти абсолютного спокойствия. Если еще можно было ожидать быстрых изменений отдельных звезд, то длительность изменений в галактиках принималась невообразимо большой, неуловимой для непосредственных астрономических наблюдений. Нашему воображению рисовалась очень статичная картина, где в лучшем случае можно обнаружить лишь застывшие следы каких-то невообразимо длительных и спокойных эволюционных изменений.

Прогресс техники астрономических исследований рассеял эти иллюзии. Не спокойствие в течение миллионолетий, а необычайно бурные, подчас взрывные процессы, занимающие очень маленький по астрономическим масштабам отрезок времени — таковы характерные черты мира галактик.

Говоря конкретнее, ядра галактик оказались областями высокой активности и практически неисчерпаемых запасов энергии. Даже в районе ядра нашей давно сформировавшейся галактики отмечены быстрые движения огромных водородных масс. В других же звездных системах подобные процессы несравненно мощнее.

И всегда такие явления, часто имеющие явно взрывной по происхождению характер, сопровождаются мощным радиоизлучением этих систем. Сильное радиоизлучение некоторых галактик — это сигналы об их молодости, о незавершенности процесса их формирования.

По взглядам, развиваемым акад. В. А. Амбарцумяном, образование галактик и звезд происходит не из рассеянного вещества, а, наоборот, из каких-то сверхплотных тел, условно называемых дозвездными телами. Сверхплотные дозвездные тела должны обладать грандиозными запасами скрытой энергии, которая при делении тела освобождается взрывообразно.

Сверхзвезды — по-видимому, новый пример сверхплотных тел. У них, бесспорно, огромная масса и высокая светимость. Кстати, указанные выше размеры лишь предположительные. Скорее можно думать, что на самом деле они гораздо меньше и отличаются исключительной плотностью.

А каков возраст сверхзвезд? Молодые это образования или старые? Раньше сортировка небесных тел по возрастам проводилась довольно упрощенно. Нередко учитывались только чисто внешние характеристики, например, размеры. По справедливому замечанию одного астронома, при такой методике можно прийти к выводу, что болонки постепенно превращаются в догов.

Современный подход более обоснован. Он опирается на огромное количество фактов физического характера. В частности, есть все основания думать, как уже говорилось, что чем старее галактика (да и отдельная звезда), тем слабее ее радиоизлучение. С этой точки зрения (ее можно было бы подробно обосновать) сверхзвезды — образования молодые. Не исключено, что это какая-то начальная форма развития если не всех, то по крайней мере некоторых звездных систем. Вот, пожалуй, единственный общий гипотетический вывод, который пока можно сделать в отношении сверхзвезд. Немудрено — ведь их исследования только начаты.

Автор: Ф. Ю. Зигель.