Астрономическая картина мира

     Открытия  в середине XIX века закона о сохранении энергии остро поставила вопрос о физическом источнике энергии Солнца и звезд. Первой попыткой его решения была гипотеза Р. Майера (1848 год) о разогреве Солнца за счет падения на него метеоритов. Но к более обоснованному научному исследованию проблемы можно было приступить лишь после открытия Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном в 1859 году спектрального анализа. В результате уже в 1861 году был дан ответ на вопрос, еще недавно считавшийся неразрешимым: Кирхгоф первым определил химический состав солнечной атмосферы. Так была создана почва для формирования научно обоснованной  картины природы звезд.

     С именем  выдающегося американского астронома-наблюдателя  Эдвина Пауэлла Хаббла (1889-1953) связанно создание современной внегалактической астрономии и второе за всю историю изучения неба непосредственное наблюдательное открытие  универсальной космологической закономерности - эффекта «расширения вселенной».

     В первой четверти XX века благодаря крупным успехам в различных областях астрофизики и совершенствованию астрономической наблюдательной техники возродился интерес к изучению мира туманностей. Природа туманностей, среди которых, как выяснилось к этому времени, большинство составляли спиральные, все еще оставалась не установленной.

     Правда, с  внедрением метода спектрального  анализа у таких туманностей  был открыт характерный для  звезд спектр с линиями поглощения (В. Хеггинс, 1867 год). Однако неоднократные  разочарования на догом пути разгадывания природы туманностей сделали астрономов более осторожными: не исключалось, что это скопление диффузной материи, которая лишь отражает свет окружающих звезд... С недоверием были встречены даже достаточно обоснованные оценки расстояний до некоторых спиральных туманностей по обнаруженным в них «новым звездам», сделанные в 1919 году Г. Кертисом и К. Лундмарком (соответственно, 500 и 900 тысяч световых лет до туманности Андромеды).

     Между тем  решение проблемы имело большое мировоззренческое значение. Оно должно было положить конец почти двухвековому спору о множественности «звездных вселенных», иначе, решить судьбу концепции островных вселенных. С этим решением связывали получение на главной вопрос космологии - о конечности или бесконечности Вселенной (последний вывод более гармонировал с идеей островных вселенных).

     На протяжении  первых двух десятилетий XX века благодаря фундаментальным исследованиям структуры Галактики американским астроном Харлоу Шепли (1885-1972) более распространенным стало мнение о единственности нашей звездной системы и о внутригалактическом положении всех наблюдаемых, в том числе спиральных туманностей. Кстати, сам Шепли, оценивший диаметр Галактики в 300 тысяч световых лет, вовсе не отрицал, как и Р. Проктор в свое время, возможности существования других подобных систем - галактик, пологая лишь, что из-за чудовищной удаленности их они пока не наблюдаются.

     К 1920 году  благодаря наблюдениям и оценкам  главным образам Кертиса вновь  стала оживать старая концепция островных вселенных. Но когда в апреле 1920 года в Вашингтоне состоялся знаменитый диспут между Шепли и Кертисом о природе спиральных туманностей, ни одна из сторон не могла одержать убедительной победы: не хватало прямых наблюдательных аргументов. Спустя всего четыре с небольшим года их представил Хаббл.

     На фотоснимках,  полученных Хабблом с 2,5-метровым  рефлектором обсерватории Маунт  Вилсон в Калифорнии 24 августа  1925 года отчетливо разложились  на звезды внешние части трех  ярких туманностей. Еще более ценным было то, что среди этих звезд он обнаружил цефеиды - переменные звезды хотя и меньшей, чем у новых звезд, но также громадной светимости, которую можно было более уверено определить по известному для этих звезд закону «период - светимость». Сравнив истинную светимость звезд с видимой, Хаббл по известной в астрофизике формуле, связывающей эти величины с расстоянием звезды, впервые получило убедительные значения для расстояний до самих звездных систем. Спиральные туманности оказывались далеко за пределами нашей галактики. По своим размерам эти туманности были сравнимы с  нашей галактикой.

     На основании  первых наблюдений преобладания  красных смещений в спектрах  далеких галактик, еще до установления  линейного закона «красного смещения» бельгийский астроном Ж. Леметр (1894-1966), независимо от А.А. Фридмана, выдвинул в 1927 году свою знаменитую идею возникновения Вселенной из одного «атома-отца» и ее расширения. В такой форме гипотеза была весьма удобной для религиозного истолкования природы и встретила поэтому резко критическое отношение со стороны философов-материалистов. Вместе с тем она соответствовала непосредственным     наблюдениям    и     гармонировала    с    новой релятивистской физической картиной мира и поэтому привлекала внимание крупных физиков и астрономов, развивающих астрономические следствия релятивизма - А.С. Эддингтона и Э.А. Милна, хотя и по-разному понимавших сам релятивизм. В 30-е годы концепция Леметра была развита Эддингтоном как модель расширения Вселенной из первоначального плотного сгустка обычного вещества. Тогда же Милн, опираясь на собственную «кинематическую теорию относительности», дал свою интерпретацию разбегания галактик как результата взрывы сверхплотного сгустка некой особой «первичной» материи, из которой «на ходу» формировались затем звезды, галактики, планеты.

    Как видно  из вышеприведенных фактов, еще  в XVIII веке в рамках гравитационной Ньютоновской картины мира возникло два направления в объяснении происхождения Солнечной системы: как чрезвычайно редкого, почти случайного или как закономерного, почти неизбежного процесса. Несмотря на выяснившуюся позже не состоятельность обеих концепций в существенных деталях, каждая содержала отдельные плодотворные идеи, которые не раз использовали в дальнейшем и вновь используются в наши дни.

     О первой  вспомнили, когда столкнулись  в конце XIX века с неустранимым на основе механики пороком гипотез Канта и Лапласа: распределение в Солнечной системе момента количества движения, обратное распределению в ней масс, необъяснимо в этих механических гипотезах, что делало идею о единой родительской   туманности Солнца и планет противоречащей одному из основных принципов механики. 

    После первого  шага Лапласа и до недавнего  времени никто не пытался увязать  между собой процессы плането-и звездообразования. Учитывали только общий вывод о времени жизни звезд. Представления об этом сильно менялось с самого начала их научного обсуждения в середине XIX века и вплоть до наших дней.

     С 60-х  годов XX века было обращено внимание на необходимость объединенного исследования проблем планетной и звездной космогонии и более детального учета многоаспектности космогонического процесса: учета данных не только небесной механики, астрофизики, геологии, но и других наук о Земле, а главное, метеоритики, не говоря уже о ядерной физике, магнитогидродинамике и тому подобное. Именно эти две тенденции стали в наши дни определяющими в космогонических исследованиях, где сейчас работают многие десятки специалистов.

     Совершенно  новый стимул развитию планетной космогонии дают современные исследования вещества метеоритов, главным образом космогонические исследования (изучение изотопного состава, выявление короткоживущих изотопов, позволяющих раскрыть историю метеорита в космосе).

     До третьего десятилетия XX века астрономическая картина мира сформировалась, опираясь исключительно на информацию, полученную путем наблюдений в оптическом диапазоне спектра. Все объекты во Вселенной хотя и считались эволюционирующими, но чрезвычайно медленно. Кратковременные процессы с выделением больших количеств энергии - взрывы сверхновых и новых звезд представлялись если не случайными, то редкими.

     Но 1931 году  американский радиоинженер Карл  Янский (1905- 1950) открыл космическое  радиоизлучение . В 1937 году были начаты систематические радионаблюдения неба другим американским радиоинженером Г. Ребером, которого можно назвать «Галилеем радиоастрономии».

     Уже первые  его наблюдения  открыли неизвестную  прежде «радиовселенную» : главные  источники энергии - яркие звезды - «молчали»; радиоизлучение, имевшее непрерывный спектр, шло в основном из области Млечного Пути. Это подтверждало первую догадку Ребера о том что изучала диффузная материя. Сначала предположили, что виновником является в основном ионизованный водород. Вместе с тем уже первые наблюдения указывали, что радиоизлучение связанно с бурными процессами в радиоярких областях Космоса: в 1942 году на метровых волнах обнаружилась интенсивное радиоизлучение Солнца, наблюдавшиеся лишь при усилении его активности.

     Однако  подлинным временем рождения  радиоастрономии стали конец  40-х-начало50-х годов XX века, когда была открыта первая спектральная радиолиния и нетепловой синхротронтральный характер излучения большинства радиоисточников. Эти эпохальные и подлинно коллективные открытия связанны с именами: первое - Х. К. ван де Хюлста, Голландия; И. С. Шкловского, Россия; Х. Юэна и Э. Парселла, США; второе - Х. Альвена, К. Херлофсона, Швеция, К. Кипенхойера, ФРГ, В. Л. Гинзбурга и И. С. Шкловского, Россия.

     Выявилось  два типа дискретных радиоисточников.  Одни оказались остатками сверхновых, а другие - совершенно новыми внегалактическими  объектами, которые назвали радиогалактиками. Эти галактики и в оптическом  диапазоне имеют столь не обычный  вид, свидетельствующий о каких-то грандиозных процессах в них, что по началу их приняли за пары сталкивающихся галактик!

     К настоящему  времени установлено, что это  одиночные галактики необычной  формы структуры и с огромными  радиоизлучающими, обычно парными  областями, располагающимися на значительном расстоянии по обе стороны от оптического компонента системы. Радиогалактиками оказались многие гигантские эллиптические системы. Мощными радиоисточниками оказались и галактики и с активными ядрами.

     Некоторые объекты в пределах Солнечной системы (кроме Солнца это атмосферы некоторых планет и кометы) составили третий тип дискретных источников радиоизлучения, главным образом синхротронного.

     В 1963 году были  открыты квазары - самые мощные  из известных источников энергии во Вселенной. При сравнительно небольших размерах средний квазар излучает вдвое больше энергии, нежели вся наша Галактика, начитывающая более сотни миллиардов звезд и имеющая более 100 тысяч световых лет в поперечнике. У квазаров были обнаружены и признаки явной не стационарности: переменность блеска и выбросы вещества с огромными скоростями. Именно квазары поставили перед астрономами новую, еще не до конца решенную проблему о природе источника их энергии.

     К загадочным резко  не стационарным внегалактическим радиоисточникам относятся и «лацертиды», названные по первому такому объекту, обнаруженному в созвездии Ящерицы.

     В 1965 году было  открыто фоновое, не зависимое  от направления внегалактическое  тепловое радиоизлучение, соответствующее  температуре ~3К и получившее объяснение как реликтовое. В пределах нашей Галактики были обнаружены новые радиобъекты - пульсары, плерионы, источники мазерного излучения...

     Во второй половине  нашего века получили развитие  новые, ветви коротковолновой  астрономии - рентгеновская и гамма-астрономия. Первым обнаруженным рентгеновским источником оказалось солнце (1948). В этом диапазоне, как выяснилось позднее, излучают и остатки сверхновых звезд. Вместе с тем исследования в рентгеновском диапазоне дали возможность открыть совершенно новый вид источников. Это были двойные звезды, у которых один компонент - гигантская нормальная звезда, а другой - нейтронная звезда, либо даже черная дыра. Вещество перетекающее из атмосферы нормальной звезды на сверхплотную, образует закручивающиеся во круг последней быстро вращающийся уплощенной диск. При этом колоссальная кинетическая энергия частиц, разгоняемых тяготением сверхплотного тела, частично переходит в рентгеновское излучение. Таковы Геркулес X-1, Центавр Х-1 и Х-3, Лебедь Х-1. К таким же двойным системам относят и наиболее загадочный источник переменного рентгеновского излучения в созвездии Орла. В нем наблюдается истечение вещества в противоположных направлениях с релятивистскими скоростями (80000 км/с!).

     Большая часть рентгеновских источников отождествлена с внегалактическими объектами - обычными галактиками, радиогалактиками и некоторыми квазарами. Их излучение имеет как тепловую, так и синхротронную природу.

     Гамма-излучение было  впервые обнаружено в 1961 году. Оно исходит из центра Галактики, природа этого источника до сих пор не ясна. Источником гамма-излучения оказался в пульсар в Крабовидной туманности, а так же объект в Скорпионе (последний рассматривается как остаток вспышки новой звезды). Часть гама- и рентгеновских источников проявляет весьма загадочную переменность, отчего они получили название  «транзиентных» объектов. Природу одного из них в 1983 году удалось раскрыть: он оказался рентгеновским пульсаром.