Надзірки та їх значення в астрономії

Ні, мова йде не про величезні засклені сховища книг або скляні книжкові шафи. Скляні бібліотеки астрономічних обсерваторій та інститутів – щось зовсім інше. Це сховища багатьох тисяч негативів, на яких відображені сотні тисяч зірок, зоряних скупчень, туманностей та інших небесних об’єктів. Кожна ділянка неба сфотографована багато разів. Якщо за цей час блиск якої-небудь зірки змінювався, якщо виникла після спалаху нової зірки газова туманність, коротше, якщо відбулися якісь зміни на зоряному небі, в документах скляної бібліотеки все це буде відображено з фотографічною точністю. Причому, заради можливо більшої точності, астрономи завжди воліють мати справу з негативами – при друкуванні позитивів можуть випасти дрібні деталі, або, навпаки, з’явиться те, чого немає на небі. Адже був же випадок, коли дрібний дефект на багато років сховав від вчених невідому галактику.

Об’єкти, що отримали останнім часом найменування «надзірок», були давно і багаторазово зареєстровані в ряді скляних бібліотек. Зовні вони нічим не відрізнялися від безлічі звичайних зірок. Такі ж темні цятки без жодних ознак структури, на відміну, наприклад, від газових туманностей або не дуже далеких галактик. Правда, неподалік від двох з них помічені якісь слабкі туманності. Але, загалом, зірки як зірки. Такими їх вважали, і такими вони числилися у всіх зоряних каталогах. Ніхто і не підозрював, що за цією оманливою зовнішністю таїться щось, здатне здивувати навіть самих врівноважених астрономів.

«Істині радіозірки»

Коли зоряна радіоастрономія робила ще перші кроки, широке розповсюдження отримав термін «радіозірки». Так називали «точкові» джерела космічного радіовипромінювання. Починаючи з 1946 року протягом декількох років на зоряному небі були знайдені сотні радіозірок. Дехто з астрономів схилявся до думки, що це якісь близькі небесні тіла, бути може, навіть належать сонячній системі. Створювалася атмосфера таємничості: по сусідству з нами є невидимі оком ні в один телескоп дивні тіла, що випромінюють радіохвилі, іноді майже так само інтенсивно, як Сонце.

Ця помилка виявилася тимчасовою. Коли радіотелескопи стали зоркіше, відразу з’ясувалося, що радіозірки не крапка, що вони мають і довжину і ширину. Це протяжні об’єкти неправильної форми. З всіх відомих небесних тіл на них схожі в цьому тільки туманності – як газові, так і «позагалактичні» (тобто інші галактики). І дійсно, поступово майже всі таємничі радіозірки були «викриті», ототожнені з вже відкритими до того астрономами туманностями і галактиками.

Майже всі, але все-таки не всі. Загадковими залишилися і ті п’ятеро зіркоподібних об’єктів, які тепер, зрештою, довелося назвати надзірками. Здавалося, до них найкраще підійшов би старий термін «радіозірки». Справді – це були точкові (і для сучасних телескопів – теж) джерела світла, що випромінюють радіохвилі.

Але… звичайні зірки, безперечно, випромінюють природні радіохвилі. Можна думати, що в загальних рисах механізм радіовипромінювання у Сонця і у зірок приблизно однаковий. Радіовипромінювання нашого світила умовно ділять на два різновиди. Одне з них – це «спокійне» теплове радіовипромінювання, викликане високою температурою Сонця, його атмосфери і корони. Інший різновид – набагато могутніше, нетеплове радіовипромінювання «обуреного» Сонця. Воно пов’язане з сонячними плямами і іншими проявами сонячної активності. Іноді спостерігаються «радіосплески», в мільйони разів переважаючі по потужності радіовипромінювання спокійного Сонця.

І все-таки (це неважко підрахувати), якби Сонце віддалилося від нас на відстань зірок, його радіовипромінювання (навіть «обурене») виявилося б далеко за порогом чутливості найкращих сучасних радіотелескопів. Мало того, хоча кожна із зірок, безперечно, є джерелом радіохвиль, навіть сумарне радіовипромінювання десятків мільярдів зірок нашої Галактики в трильйони разів слабкіше того, яке поки можуть вловити наші радіотелескопи.

Значить, п’ять «істинних радіозірок» ніяк не можуть бути зірками у звичайному, загальноприйнятому розумінні цього слова. П’ять об’єктів, що значаться в зоряних каталогах під умовними позначеннями ЗС-48, ЗС-147, ЗС-196, ЗС-273 і ЗС-286, повинні бути чимось іншим.

Галактики або надзірки

Щоб встановити природу дивних небесних тіл, сфотографували їх світловий спектр. І побачили зовсім несподіване! Спектри були абсолютно незнайомими. У більшості радіозірок вони не містили не тільки добре відомих і характерних для звичайних зірок ліній водню. У них взагалі з першого погляду не можна було знайти жодної лінії і якого-небудь іншого хімічного елемента. Картина, яка не має фізичного сенсу!

Нарешті, після напружених зусиль, американському астроному Джону Оуку в спектрі об’єкта ЗС-273 вдалося знайти кілька знайомих ліній. Але вони виявилися не на своєму звичайному місці в жовто-зеленій і фіолетовій частинах спектра, а в іншому його кінці, в областях жовтих і червоних променів. Інакше кажучи, в спектрі об’єкта ЗС-273 знаменитий «червоний зсув» досягає небувалої величини. Який же висновок випливає з цього? Зсув ліній до червоного кінця спектра, як відомо, явна ознака віддалення джерела від спостерігача. У цьому полягає знайомий ще зі шкільного курсу фізики знаменитий принцип Допплера-Фізо. Чим швидше віддаляється джерело світла, тим більше «червоний зсув» у його спектрі.

Характерно, що в спектрі практично всіх галактик (а для далеких галактик це правило не має жодного виключення) лінії в спектрі завжди зміщені до червоного кінця спектра. І чудово, що чим далі від нас знаходиться галактика, тим більше для неї величина «червоного зсуву». Грубо кажучи, «червоний зсув» пропорційний відстані до галактики. Саме в цьому виражається добре відомий «закон червоного зсуву», який пояснюється нині, як результат стрімкого розширення всієї спостережної сукупності галактик. Цей факт вже не викликає сумнівів, хоча причини його не цілком ясні.

У найдальших з відомих досі галактик «червоний зсув» дуже великий. Відповідні йому швидкості віддалення вимірюються десятками тисяч кілометрів на секунду. Але в об’єкта ЗС-273 червоний зсув перевершив всі рекорди. Вийшло, що він несеться від Землі з швидкістю 50000 кілометрів на секунду, що лише в шість разів менше швидкості світла!

Якщо вважати (а інший варіант немислимий), що об’єкт ЗС-273 підкоряється загальному закону червоного зсуву, легко вирахувати, що відстань від Землі до ЗС-273 дорівнює двом мільярдам світлових років!

Щоб облетіти по екватору земну кулю, променю світла потрібно затратити трохи більше однієї восьмої секунди. За вісім хвилин промінь світла долетить до Сонця, за 4 роки – до найближчої з зірок. А тут – два мільярди років безперервного надстрімкого польоту, час, порівнянний з тривалістю життя всієї нашої планети! Але і цей «рекорд» протримався недовго. Незабаром вдалося дослідити спектри ще двох об’єктів.

Для об’єкта ЗС-48 відстань, так само знайдена по червоному зсуву, вийшла рівною 3,6 мільярда світлових років, а для об’єкта ЗС-196 – навіть 12 мільярдів світлових років! Поки це – самий далекий з небесних об’єктів. Ми вловили промінь світла, який був посланий до нас ще тоді, коли ні Землі, ні Сонця не існувало! Об’єкт ЗС-196 не тільки самий далекий, але і найшвидший – його швидкість віддалення по променю зору досягає двохсот тисяч кілометрів на секунду.

Два об’єкти, що залишаються невивченими, бути може, готують нам нові сюрпризи. Здавалося б, об’єкти, такі далекі від Землі, повинні бути доступними лише спостерігачу, озброєному наймогутнішими сучасними телескопами. Насправді ж всі п’ять об’єктів дуже яскраві.

Наприклад, ЗС-273 легко знайти в сузір’ї Волосся Вероніки, як зірочку 12,6 зоряної величини. Такі зірки доступні навіть любительським телескопам. Якими ж жахливими по потужності випромінюванню повинні бути ці джерела світла, якщо з відстані в мільярди світлових років вони світять настільки яскраво! Можна підрахувати, що сила світла загадкових об’єктів у кілька десятків разів більше потужності випромінювання найбільших з відомих галактик.

Може бути, це все-таки звичайні галактики, тільки дуже масивні і великі? Можна було б, мабуть, прийняти таке пояснення, якби московські астрономи А. С. Шаров та Ю. М. Єфремов абсолютно несподівано не відкрили новий факт. Вони вирішили з’ясувати, як поводилися у минулому дивні «зірки». На допомогу прийшли скляні бібліотеки.

На Московській обсерваторії ще в позаминулому столітті створили таку бібліотеку. Шаров і Єфремов уважно проглянули 73 негативи, на яких з 1896 по 1963 рік був відображений об’єкт ЗС-273. Пластинки далеко не завжди були хорошої якості. А головне, оцінювати блиск об’єкта доводилося на око. Тому астронома П. Н. Холопова попросили провести контрольні дослідження по пластинках з іншої скляної бібліотеки. Кінцеві результати вийшли подібними. І висновок, якого дійшли вчені, можна вважати цілком достовірним.

А він разючий. Виявилося, що ЗС-273 міняв свою яскравість, свій видимий блиск! І не трохи, а дуже помітно – від 12,0 до 12,7 зоряної величини, тобто більш, ніж в два рази. Бували випадки (наприклад, в період з 1927 по 1929 роки) коли за дуже нетривалий час блиск ЗС-273 зростав в 3-4 рази!

Пояснити ці спостереження помилками дослідників неможливо: було підраховано, що помилки не могли перевищувати 0,1 зоряної величини. Іноді за кілька діб, тобто за десятки годин, блиск об’єкта змінювався на 0,2-0,3 зоряної величини. І при цьому зовні, оптично, не відбувалося ніяких інших істотних змін – дивна «зірка» незмінно здавалася зіркою, хоча і змінюючою свій блиск.

Подібне явище виявив у об’єкта ЗС-48 і американський астроном Сендейдж. Причому амплітуда коливань вийшла навіть дещо більшою – 0,4 зоряної величини. І найдивовижніше – ЗС-48 іноді змінював свій блиск від ночі до ночі, тобто за дві-три десятки годин!

Тут є чому дивуватися. Відомі тисячі змінних зірок, що з різних причин змінюють свій блиск. Але не було зареєстровано жодної змінної галактики. Хоча багато хто з них містить тисячі і мільйони змінних зірок, коливання їх блиску відбуваються по різному і такі неістотні для галактики в цілому, що загальне випромінювання галактик завжди залишається практично незмінним. Жоден оптичний інструмент світу не може уловити хоча б найменші коливання блиску якої-небудь з галактик.

Залишаються дві можливості. Перша з них безглузда: зірки галактики відразу, як по команді, в одному ритмі змінюють свій блиск. З фізичної сторони таке пояснення настільки абсурдне, так суперечить всім нашим знанням про космос, що не заслуговує серйозного розгляду.

Залишається лише друга можливість – дивні об’єкти, схожі з галактиками за характером «червоного зсуву» мають фізичну природу, відмінну від галактик.

Це не протяжні, розкидані на десятки тисяч світлових років зоряні системи, а якісь вельми компактні тіла дуже невеликих порівняно розмірів, однак колосальної маси.

Відносно малі розміри можуть пояснити швидкість коливань блиску всього об’єкта в цілому, а величезна маса – це єдино можлива (за сучасними уявленнями) причина виняткової яскравості, або, точніше, світимості небесного тіла. Чим масивніше зірка, тим яскравіше вона світить. Це – багаторазово перевірений закон космосу.

Отже, колосальна маса і невеликі (порівняно з галактиками) розміри. Кількісно виходить так: маса в мільйони разів перевершує масу Сонця (яка, до речі кажучи, дорівнює 2.1027 тонн!). Поперечник (тут можливі різні варіанти) у кілька разів більше поперечника земної орбіти. Як назвати таке тіло? Давно відомі надгігантське холодні червоні зірки, діаметри яких перевершують поперечник земної орбіти. Тому з точки зору розмірів (і тільки в цьому відношенні!) нові об’єкти можуть бути названі зірками.

Вважалося, що найважчі з звичайних зірок приблизно в 100 разів масивніше Сонця. Маси дивовижних об’єктів ще в десятки тисяч разів більше. Значить, слід назвати їх не просто зірками, а надзірками.

Не тільки по масі, але і по потужності випромінювання надзірки різко відрізняються від всіх донині відомих небесних тіл. Навіть найновіші зірки бліднуть порівняно зі надзірками. У момент жахливого вибуху наднові зірки випромінюють світла стільки ж, скільки кілька мільярдів Сонць. Надзірка ж – завжди в десятки тисяч разів яскравіше! Було б, однак, наївно думати, що перераховані факти вичерпно пояснюють природу надзірок. Ми знову стоїмо тут перед черговою загадкою космосу. Не тільки природа надзірок, але й саме їхнє існування (в такому вигляді, як ми їх описали) залишається поки тільки гіпотезою.

Десятиліттями надзірки приймалися за самі звичайні, пересічні зірки. Коли радіотелескопи стали досить потужними вдалося довести, що саме ці п’ять зірочок інтенсивно випромінюють радіохвилі, а значить вони є щось незвичайне. Аналіз спектрів, отриманих за допомогою найдосконаліших сучасних інструментів, остаточно довів, що відкриті нові, дивовижні небесні тіла. За пересічною зовнішністю ховалося щось незвичайне. І воно стало явним лише завдяки прогресу техніки дослідження.

У цьому приватному (хоча і дуже важливому) епізоді відображена загальна картина розвитку сучасної позагалактичної астрономії за останні роки. І розгадку природи надзірок слід шукати на загальному тлі сучасних уявлень про далекий космосі. До останнього часу галактики в цілому вважалися областями майже абсолютного спокою. Якщо ще можна було очікувати швидких змін окремих зірок, то тривалість змін в галактиках приймалася неймовірно великою, невловимою для безпосередніх астрономічних спостережень. Нашій уяві малювалася дуже статична картина, де в кращому випадку можна виявити лише застиглі сліди якихось неймовірно тривалих і спокійних еволюційних змін.

Прогрес техніки астрономічних досліджень розсіяв ці ілюзії. Не спокій протягом мільйонів років, а надзвичайно бурхливі, часом вибухові процеси, що займають дуже маленький за астрономічними масштабами відрізок часу – такі характерні риси світу галактик.

Говорячи конкретніше, ядра галактик виявилися областями високої активності і практично невичерпних запасів енергії. Навіть в районі ядра нашої давно сформованої галактики відзначені швидкі рухи величезних водневих мас. В інших же зоряних системах подібні процеси незрівнянно потужніші.

І завжди такі явища, що часто мають явно вибуховий за походженням характер, супроводжуються могутнім радіовипромінюванням цих систем. Сильне радіовипромінювання деяких галактик – це сигнали про їх молодість, про незавершеність процесу їх формування.

За поглядами, розвинутими акад. В. А. Амбарцумяном, утворення галактик і зірок відбувається не з розсіяної речовини, а, навпаки, через якісь надщільні тіл, умовно звані дозірковими тілами. Надщільні дозіркові тіла повинні володіти грандіозними запасами прихованої енергії, яка при діленні тіла звільняється вибухово.

Надзірка – мабуть, новий приклад надщільних тіл. У них, безперечно, величезна маса і висока світність. До речі, зазначені вище розміри лише приблизні. Швидше можна думати, що насправді вони набагато менше і відрізняються винятковою щільністю.

А який вік надзірок? Молоді це утворення чи старі? Раніше сортування небесних тіл по віках проводилося досить спрощено. Нерідко враховувалися тільки чисто зовнішні характеристики, наприклад, розміри. За справедливим зауваженням одного астронома, при такій методиці можна прийти до висновку, що болонки поступово перетворюються в догів.

Сучасний підхід є більш обґрунтованим. Він спирається на величезну кількість фактів фізичного характеру. Зокрема, є всі підстави думати, як вже говорилося, що чим старіше галактика (та й окрема зірка), тим слабкіше її радіовипромінювання. З цієї точки зору (її можна було б докладно обґрунтувати) надзірки – утворення молоді. Не виключено, що це якась початкова форма розвитку якщо не всіх, то принаймні деяких зоряних систем. Ось, мабуть, єдиний загальний гіпотетичний висновок, який поки можна зробити щодо надзірок. Не дивно – адже їх дослідження тільки розпочато.

Автор: Ф. Ю. Зігель.