Проводимо спостереження за зоряним небом

Чи можна розібратися в незліченній кількості зірок, які спостерігаються в ясну ніч? Вдивіться уважніше, і ви побачите, що далеко не однакова їх яскравість. Яскравіші утворюють в різних частинах неба цілі групи – сузір’я, які по химерним контурах іноді нагадують якісь фігури. В давнину люди асоціювали ці фігури з тваринами або казковими, фантастичними істотами. Так з’явилися на небі Змія, Скорпіон, Дельфін, сузір’я, що носять імена героїв казок і легенд. Старовинні назви сузір’їв збереглися до наших днів.

Мабуть, саме гарне сузір’я нашого північного неба – це зимове сузір’я Оріон. За давніми переказами, Оріон – небесний мисливець: він йде на полювання в супроводі двох собак (поблизу сузір’я Оріон знаходяться сузір’я Великого і Малого Пса), а три яскраві зірки утворюють «пояс» Оріона, на якому висить його «меч». Найяскравіша зірка в цьому сузір’ї – Бетельгейзе – виблискує в «плечі» Оріона, друга за яскравістю зірка – Ригель – прикрашає «сандалію» мисливця. Оріон замахнувся на величезного рогатого Тельця, око якого (червонувата яскрава зірка Альдебаран) ніби «налилося кров’ю».

Так образно сприймали люди цю область неба в далекому минулому. Вони бачили в ній зірки різної яскравості (всього близько 120). Вони звернули увагу на перетинаючу все небо широку смугу Чумацького Шляху, яка проходить через верхню частину сузір’я Оріон. Нарешті, вони помітили і порівняно невелику туманну «плямочку», як би навколишню середню зірку «меча» Оріона. Але наші далекі предки нічого не знали ні про природу зірок, ні про те, що являє собою Чумацький Шлях, і, звичайно, найменше могли здогадуватися, наприклад, про те, що особливий інтерес буде проявлений до згаданої туманної «цятки», яка отримала згодом назву Великої туманності Оріона.

Бетельгейзе у фокусі телескопа

Йшли століття. Людина створювала все нові і нові астрономічні пристосування. Вона підіймалася на гори, «поближче» до неба, але зірки вперто зберігали свої таємниці: людина дивилася на них неозброєним оком. І тільки винахід телескопа дозволив зробити перший крок на шляху пізнання зірок.

В чому перевага телескопа? Багато хто думає, що головна «сила» його в збільшенні, інакше кажучи, в тому, що він дозволяє бачити далекий предмет більшим, ніж його бачить неозброєне око. Це не зовсім так. Насправді призначення телескопа, насамперед – зібрати якомога більше світла, випромінюваного далекими світилами. Чим більше діаметр об’єктива телескопа (лінзи або дзеркала), тим краще виконує він цю свою головну задачу. Лінза або увігнуте дзеркало, збираючи промені світла від небесного світила (або ділянки неба), будує зображення у фокальній площині телескопа.

Коли телескоп спрямований на близьке космічне тіло (Місяць, планету), то зображення його в фокальній площині, розглянуте за допомогою ще однієї лінзи або системи лінз, званої окуляром, дозволяє розглянути багато деталей, невидимі неозброєним оком. Зірки ж так далекі від нас, що навіть в найбільші телескопи продовжують бути видними у вигляді точок.

Велике значення телескопа, отже, не в тому, що він збільшив видимі розміри зірок. Телескоп дав нам більш реальне уявлення про число зірок, дозволив розгадати природу Чумацького Шляху, туманностей, коротше кажучи, він докорінно змінив звичну для нас картину зоряного неба.

Ця зміна стало особливо відчутною, коли астрономи стали використовувати в поєднанні з телескопом не око, а фотографічну пластинку. Вона володіє дорогоцінною для науки якістю: може «накопичувати» світло.

Уявімо собі якусь дуже слабку зірку, яку не бачить людина навіть з найгострішим зором. Але ось на неї направили телескоп. І в телескоп її не видно, хоча він «вловлює» від цієї зірки світла в стільки разів більше, у скільки разів його об’єктив більше зіниці нашого ока.

А фотографічна пластинка, «подивившись» протягом декількох годин на цю зірку, дасть знати про неї чорною точкою на негативі. Коли астрономи стали фотографувати небо за допомогою потужних сучасних телескопів (діаметр найбільшого в світі телескопа 5 метрів), то зоряний світ відкрився їм як би заново. Смуга Чумацького Шляху перестала бути незрозумілою білою «туманністю». Виявилося, що світіння Чумацького Шляху обумовлено світінням слабких зірок. Їх так багато і вони настільки далекі від нас, що здаються неозброєному оку майже суцільною білою смугою.

Незмірно зросла кількість зірок, які спостерігаються в кордонах сузір’я Оріон. Значно розширилися і знання про природу давним-давно відомих зірок. Наприклад, з’ясувалося, що Ригель, яку око бачить як одну зірку, насправді зірка подвійна, тобто представляє собою дві близькі зірки, рухомі навколо загального центру тяжіння. А Бетельгейзе виявилася ще більш незвичайною зіркою. Це одна з тих зірок, блиск яких з плином часу змінюється. Такі зірки називають змінними. Є змінні, у яких зміна блиску відбувається періодично, з періодом в декілька годин або кілька днів. У Бетельгейзе зміна блиску відбувається більш складно, неперіодично. Це так звана неправильна змінна.

Телескоп допоміг розгадати і природу цілого ряду загадкових, туманоподібних об’єктів, Виявилося, що туманності, що сприймаються «на око» як однакові, мають насправді абсолютно різну природу. Одні з них, як, наприклад, Велика туманність Оріона, являє своєрідні, дійсно латки за структурою, гігантські хмари, що складаються з газу і космічного пилу. В сузір’ї Оріон виявлено кілька таких туманностей як світлих, так і темних. Але оку представляються туманностями і такі об’єкти, які нічого спільного з ними не мають. Телескоп показав, що це цілі зоряні світи – галактики, що складаються з мільярдів зірок, подібно нашій зоряній системі Чумацького Шляху. Вони дуже далекі від нас і видні тільки в найпотужніші телескопи.

Телескоп і фотографічна пластинка широко розсунули межі доступної вивченню частини Всесвіту. Але наші знання про природу небесних тіл були б вельми неповними, якби на допомогу астрономам не прийшов ще один чудовий засіб дослідження – спектральний аналіз.

Про що розповів спектр туманостей Оріона

Застосування спектрального аналізу відкрило нові можливості у вивченні фізичної природи і хімічного складу далеких небесних об’єктів.

Спектрограф, приєднаний до телескопа, дозволяє отримати спектр досліджуваної зірки або туманності. Як розшифрувати відомості, принесені спектром? Відомо, що атоми різних елементів мають зовсім різні спектри, за якими можна завжди розпізнати той чи інший елемент. Світлий газ дає спектр у вигляді окремих спектральних ліній – це лінійчатий спектр випромінювання. Розпечені речовини і гарячі гази, що знаходяться під високим тиском, мають спектр у вигляді кольорової смужки, що містить всі кольори веселки, – це так званий безперервний спектр. Якщо ж перед розпеченим джерелом помістити більш холодну газоподібну речовину, то в безперервному спектрі ми виявимо присутність характерних для цієї речовини темних ліній в тих же місцях, де той же розпечений газ дає яскраві лінії. Так утворюється лінійчатий спектр поглинання. Склад речовини можна визначити, вивчаючи як спектр випромінювання, так і спектр поглинання.

Спрямований на зірки спектрограф показав, що їх спектр – безперервний з лініями поглинання. Такий спектр утворюється в поверхневих шарах зірки, а лінії поглинання – в її атмосфері. Про що це говорить? Перш за все, про температуру поверхні зірки. У гарячих зірок яскравіше блакитна частина спектра, а у холодних – червона. Відповідно цьому температура поверхні блакитного Ригеля виявилася близько 20 000 °, червоної зірки Бетельгейзе – приблизно 3500 °, а нашого Сонця – близької до 6000 °.

Лінії в спектрах зірки дозволили встановити також її хімічний склад. Зірки складаються з тих же хімічних елементів, що і всі тіла на Землі. Основну масу будь-якої зірки становить водень, на другому місці гелій в невеликих кількостях є інші хімічні елементи.

Вимірюючи точні положення спектральних ліній в спектрі зірки і знаючи їх теоретичні положення, можна обчислити напрямок і швидкість руху зірки по променю зору. Якщо зірка наближається до нас, то її спектральні лінії будуть зміщені у фіолетову сторону спектра, а при віддаленні – в червону сторону. Так було встановлено, що Бетельгейзе і Ригель віддаляються від нас зі швидкістю близько 20 км/сек.

Цікаво, що спектр Великої туманності Оріона виявився лінійчатим спектром випромінювання. Звідси був зроблений висновок, що речовина туманності знаходиться в газоподібному стані. За яскравими лініями в спектрі легко виявили водень. Але, крім ліній водню, там опинилися ще й «небесні» лінії, так як на Землі немає речовини з таким спектром. Вчені вирішили, що таємничі лінії належать ще невідомому елементу. Він отримав назву «небулій» (від латинської назви туманності). Йшли роки, а небулій так і не був виявлений в земних лабораторіях. Лише тридцять років тому було доведено, що таємничий небулій взагалі не існує, а лінії належать добре відомому на Землі елементу – кисню, але що знаходиться в туманності в абсолютно особливих фізичних умовах. З’ясування цієї умови стало найважливішим етапом розвитку фізики туманностей.

Тепер точно встановлено, що туманності складаються зі звичайних хімічних елементів, світіння яких збуджується випромінюванням, що знаходяться поблизу гарячих зірок. Але у атомів кисню та інших елементів, випромінюючих характерні для туманності лінії, «відірвані» по 2-3 і навіть більше електронів, а речовина в туманностях перебуває у вкрай розрідженому стані. Це і визначає особливості їх спектру.

В туманностях, крім газу, міститься велика кількість космічного пилу, виявленого у вигляді темних «провалів» на тлі світних газових мас. Серед темних туманностей сузір’я Оріон є відома туманність «Кінська голова». Маса Великої туманності Оріона дуже велика. Всередині неї знаходиться кілька гарячих зірок, які збуджують світіння цієї туманності. Таке близьке співіснування молодих зірок і газово-пилових туманностей привертає до себе особливу увагу астрономів, так як вивчення цих об’єктів може допомогти усвідомити багато чого про процеси розвитку і походження зірок.

За останні роки наші знання про небесні об’єкти зросли не тільки завдяки удосконаленню інструментів і методів дослідження. На озброєння науки надходять нові, більш потужні телескопи і спектрографи, використовуються фото-і термоелементи. Поряд з ними астрономи застосували засоби і методи, які дозволяють проникати в абсолютно недоступні раніше області, далекі від видимої ділянки спектра. Йдеться про радіоспостереження і про “вторгнення” в ультрафіолет.

Трохи більше чверті століття тому було відкрито, що різні небесні світила поряд з видимим світлом випромінюють радіохвилі. На основі цих відкриттів виникла нова плідна наука – радіоастрономія, яка значно поповнила наші знання про природу небесних об’єктів. Досягнення радіоастрономії настільки великі і різноманітні, що навіть стисло розповісти про них в рамках однієї статті неможливо.

Але нас в даному випадку цікавить, перш за все, сузір’я Оріон. Який внесок внесла радіоастрономія у вивчення цієї області неба? Мабуть, найбільш показові результати дослідження знаменитої Великої туманності Оріона.

Згадаймо, що в складі туманностей найбільше самого легкого газу – водню і що поблизу туманності Оріона мається кілька блакитних гарячих зірок. Під дією випромінювання таких зірок відбувається так звана іонізація водню (атом водню втрачає свій електрон), який при цьому набуває здатність випромінювати радіохвилі. Тож не дивно тому, що туманність Оріона виявилася потужним джерелом радіовипромінювання. Аналіз цього випромінювання дозволив дізнатися багато нового про фізичний стан речовини в космічних туманностях. Радіоспостереження, порівняно зі звичайними оптичними спостереженнями, мають ту перевагу, що радіохвилі безперешкодно проходять через пилові хмари, що не пропускають видиме випромінювання.

Тому нові дані допомогли уточнити значення маси туманності Оріона: вона не перевищує 1000 сонячних мас і є лише «невеликим» вкрапленням в гігантській хмарі нейтрального водню, виявленому радіоспостереженням в області Оріона. Ця хмара діаметром близько 300 світлових років має загальну масу, приблизно в 50-100 тисяч разів більшу, ніж наше Сонце!

Радіоспостереження підтвердили відкриття вченого П. П. Паренаго, який виявив розширення всієї системи зірок і туманностей області Оріона. Мабуть, кілька мільйонів років тому в Оріоні утворилися гарячі зірки, які з великими швидкостями стали рухатися в різні боки. В даний час відомо кілька зірок, що розходяться від центра Оріона зі швидкістю 100 км/сек.

У далекому ультрафіолеті

Цікаві результати отримані при дослідженні Великої туманності Оріона в протилежній сфері спектра – в далекому ультрафіолеті (невидимому оком випромінюванні з довжиною хвилі коротше 4000 ангстрем). Експерименти в цій області спектра стали можливими, завдяки величезним успіхам в запусках космічних ракет і штучних супутників Землі. Раніше подібні роботи були неможливі, оскільки на висоті близько 30 кілометрів над Землею знаходиться шар озону (трьохатомний кисень), який повністю затримує все випромінювання з довжиною хвилі коротше 2900 ангстрем. Ракети з науковою апаратурою, що піднімаються на висоту більше 100 км, долають озонний бар’єр і дозволяють зареєструвати випромінювання ультрафіолетових і рентгенівських променів.

Серед перших об’єктів, вивчених в ультрафіолетовій області, опинилася і туманність Оріона. Хоча центр області світіння в видимих і ультрафіолетових променях збігається, але в другому випадку туманність виглядала значно ширшою. Крім того, астрономи зовсім не очікували, що світіння туманності в далекому ультрафіолеті виявиться таким інтенсивним. Подальші дослідження цього цікавого об’єкту покажуть, яка природа цього свічення, і дозволять виявити інші, ще невідомі властивості. Так на прикладі невеликої ділянки неба можна побачити, що в міру розвитку науки і техніки все далі і далі відсуваються кордони досліджуваної частини Всесвіту, все глибше проникають люди в її таємниці.

Автор: В. Ф. Єсіпов.