Александр Шаров - Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла

В 1963 г. работавший на Маунт Паломар голландский астрофизик М. Шмидт получил спектр звездоподобного оптического изображения компактного радиоисточника ЗС273. На фотографии объект выглядит звездой 13m. М. Шмидт установил, что необычные линии излучения в спектре источника принадлежат водороду — самому распространенному элементу в природе, только они смещены в красную сторону на z = 0,16, но большие красные смещения могут вызываться только быстрым удалением объекта из-за расширения Вселенной. Применяя закон Хаббла, нетрудно показать, что объект находится необычайно далеко и его светимость в сотню раз превышает светимость самых крупных галактик. Вскоре большие красные смещения были обнаружены и у других подобных объектов. Несколько позже все такие объекты стали называть квазарами.

Уже само открытие необычайно мощных источников излучения во Вселенной было сенсационным. Но по настоящему удивительным оказалось свидетельство о чрезвычайно малых размерах этих мощнейших излучателей. Оценка размеров квазаров была получена в результате открытия переменности их блеска.

Сообщение о странных объектах было получено в Москве в начале марта 1963 г. По инициативе И. С. Шкловского Ю. Н. Ефремов и один из авторов этой книги (А. Ш.) исследовали блеск квазара 3С273 по пластинкам Государственного астрономического института им, П. К. Штернберга. Было установлено, что квазар меняет свой блеск с амплитудой 0,7m. В то же время американские астрономы X. Смит и Д. Хоффлейт также обнаружили переменность 3С273 с амплитудой 0,6m. Любопытно, что статьи советских и американских исследователей были посланы в печать в один и тот же день — 9 апреля 1963 г.

Оказалось, что блеск квазара 3С 273 иногда заметно меняется и за несколько дней. Это означает,, что линейные его размеры не могут превышать нескольких световых дней. Если бы они были больше, то лучи света, одновременно приходящие к нам, должны покидать разные части объекта в существенно разное время: от более далеких частей выйти раньше, от расположенных ближе — позже. В результате в наблюдаемом суммарном свете изменения осреднялись бы и колебаний блеска за несколько дней наблюдать было бы нельзя.

Природа квазаров долгое время оставалась загадочной. Постепенно выяснилось что квазары являются ядрами гигантских далеких галактик.

Ядра наблюдаются в центрах многих галактик, но обычно их светимость не очень велика. В случае же квазаров по каким-то причинам ядра находятся в состоянии большого возбуждения и их светимость составляет 1045—1047 эрг/с, что в десятки и даже сотни раз превышает светимости крупнейших галактик.

Естественно было бы весьма заманчивым использовать столь мощные излучатели, видимые с огромных расстояний, и для проверки закона Хаббла, и для решения других задач космологии. Однако выяснилось, что использовать их для этих целей крайне сложно. Дело в том, что в отличие от ярчайших галактик в скоплениях квазары имеют огромный разброс светимостей и тем самым не могут служить индикаторами расстояний. К тому же светимость квазаров сильно меняется с течением времени. Характерное время жизни квазара, вероятно, порядка 107 лет. Возраст галактик — порядка 1010 лет. Гораздо более короткий период активности квазара по сравнению с возрастом галактики и обуславливает сравнительно сильную его изменчивость.

Проблема эволюции, изменчивости светимости и других свойств галактик и квазаров становится одной из кардинальных, когда мы обращаемся к объектам, имеющим красное смещение порядка z ≈ 1 и больше. Свет, приходящий к нам сегодня, покинул столь далекие объекты миллиарды лет назад, когда они были существенно моложе и светимость наших стандартных индикаторов расстояния была заметно иной, чем светимость в наше время, которую мы наблюдаем у близлежащих объектов. Эволюция же галактик и квазаров известна плохо.

Между тем, крайне важно изучать зависимость «видимая звездная величина — красное смещение» для объектов с красным смещением z больше единицы, так как при таких больших расстояниях начинают сказываться существенные факторы, характеризующие нашу Вселенную. Во-первых, важно, что при этом мы видим Вселенную в далеком прошлом, когда постоянная Хаббла была другой, ибо расширение тормозится тяготением вещества. Наблюдения объектов с большим z позволило бы определить замедление, а значит и вычислить среднюю плотность вещества во Вселенной, Во-вторых, на таких расстояниях сказываются уже релятивистские эффекты — изменение течения времени в сильных полях тяготения и искривленность пространства Вселенной. Как подчеркивал еще Хаббл, наблюдения в принципе позволяют определить эти эффекты. Однако они «перепутаны» с эффектами эволюции и разделить их — крайне сложная задача. Приходится с сожалением констатировать, что пока наблюдения далеких объектов не привели к сколько-нибудь определенным выводам и вся надежда на планируемые будущие исследования, к рассказу о которых мы переходим.

На начало 1988 г. наибольшие красные смещения, измеренные у галактик и квазаров, были соответственно zГ = 3,2 и zK = 4,4, Наибольшие же красные смещения, бывшие в распоряжении Хаббла, составляли всего z ≈ 0,004...

Будущие исследования

 Среди многих проектов, которые призваны в ближайшее время существенным образом расширить наши знания о крупномасштабной структуре Вселенной и ее эволюции, очень важными, безусловно, являются проекты, связанные с выносом астрономических инструментов в космос.

О некоторых из них, непосредственно продолжающих линию исследований, начатую Хабблом, мы здесь расскажем.

В 1986 г. американцы планировали вывести на космическую орбиту телескоп с зеркалом диаметром 2,4 метра, носящий имя Хаббла. Трагическая катастрофа корабля «Шаттл» лишь отодвинула, но не отменила осуществление этого проекта. Сам телескоп со всеми научными приборами, по сообщению американских коллег, уже полностью готов. Этот уникальный телескоп должен осуществить качественный скачок в оптической астрономии, по меньшей мере столь же существенный, каким стало введение в строй 200-дюймового телескопа. Для работы с инструментом на орбите создан специальный Научный Институт Космического Телескопа.

Зеркало телескопа позволит получить в его фокусе изображения небесных объектов чрезвычайно высокого качества, не искаженные атмосферными помехами. Исследования будут проводиться в широком диапазоне длин электромагнитных волн — от далекой ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области.

Для внегалактических исследований особенно важны: 1) широкоугольная камера с полем зрения 2,7'x2,7', состоящая из 1600x1600 детекторов фотонов, предназначенная для изучения объектов от 9,5 до 28-й звездной величины; 2) камера для изучения слабых объектов с полем зрения 11" ´ 11" с угловым разрешением 0,02" для наблюдения объектов от 21 до 28-й звездной величины; 3) спектрограф для объектов вплоть до 26-й звездной величины. Эти инструменты обеспечивают детальное фотометрическое исследование, изучение спектров и высокое угловое разрешение для объектов, находящихся примерно в десять раз дальше, чем позволяют наблюдения таких же объектов с поверхности Земли.