Радиотелескоп в сарае. Часть 6. Разгадка структуры Галактики
В прошлой статье, выяснив конструкцию самодельного радиотелескопа, мы закончили на первом обнаруженном им сигнале от водорода Галактики. В этой, заключительной части речь пойдет о том, как интерпретировать параметры полученных радиоволн, как с их помощью выяснить структуру Галактики собственными руками — так же, как это сделали ученые в середине прошлого века.
Первое, что приходит в голову в плане изучения Галактики с помощью радиоизлучения водорода — это получить изображение Млечного Пути с помощью радиотелескопа. Сделать это так же, как с помощью оптического телескопа/фотоаппарата нельзя, так как радиотелескоп просто «видит» излучение от некоторой области пространства, точки, «пикселя». Или другими словами, регистрирует интенсивность радиоизлучения определенной длины волны от какой-либо области (в пределе — точки) неба. Поэтому такие радиотелескопы еще называют радиометрами. Единственный способ получить с помощью радиометра изображение — просканировать антенной построчно небо, записывая при этом координаты точки, куда она смотрит, и интенсивность сигнала. Если потом по координатам составить мозаику, где яркость или цвет точки будет означать интенсивность сигнала, можно создать радиоизображение неба — в сущности так же, как набирают картинки из бисера.
Совершенно очевидно, что на такой карте самым ярким, что мы увидим, будет полоса Млечного Пути — так как именно в галактиках, где сосредоточены звезды, больше всего и водорода, излучающего радиоволну длиной 21 см. Почему полоса дугообразная, а не прямая, как положено ей быть на небе, спросите вы. Дело в том, что когда мы захотим на одной фотографии разместить то, что находится и перед нами на горизонте, и за нами в противоположной стороне, нам придется исказить изображение. Нельзя на плоской фотографии без искажений отобразить, например, круговую панораму. Такая же проблема сопровождает карты Земли — планета сферическая, а ее карта плоская, и рельеф всегда искажен — нельзя сделать плоскую карту сферы, у которой будут все полезные свойства одновременно.
Переведем карту в контурный вид, где линии проведены вдоль точек с одинаковой интенсивностью сигнала, избавимся от дугообразности, исказив изображение другим образом, и мы получим более информативное изображение. Видно, что источники радиоизлучения концентрируются около нескольких зон — визуально, сколько не смотри на Млечный Путь, такого не заметишь в оптическом диапазоне. Почему облака водорода концентрируются на карте в отдельных областях?
Ответом может быть то, что мы таким образом видим галактические спирали с торца, а так же центр галактики, что в созвездии Стрельца.
Это, конечно, уже не мало — посмотреть на небо в диапазоне волны 21 см и сразу увидеть рукава Галактики, а не просто белесую сплошную полосу. Но рукава ли это или что-то другое, вращаются ли они вокруг центра как единое целое, с одной угловой скоростью или нет —каждый со своей? Вопросов по структуре Галактики можно задать еще много, неужели с помощью линии водорода 21 см можно получить на них ответы? Да, можно, но нужно для начала вспомнить, что такое эффект Доплера.
Возьмем классический пример автомобиля с работающей сиреной. Последняя излучает звук во все стороны одинаково, как показано на рисунке ниже.
Но как только автомобиль начнет движение, звуковые волны впереди него «сожмутся», а позади — станут более «разреженными», или иначе говоря, впереди длина волны (расстояние между соседними гребнями) уменьшится, позади — увеличится. Частота и длина волны связаны между собой — вспомните волны на морском берегу — чем они реже на поверхности воды (больше длина волны), тем и с меньшей частотой ударяются о берег. В случае с полицейским автомобилем это значит, что приближающаяся сирена для нас слышна с более высокой частотой (тоном), нежели она излучает на самом деле, а удаляющаяся — наоборот, с меньшей. Многие это замечали по изменению, например, тона гудка локомотива, когда он проносился мимо.
Раз у нас научно-популярный формат, то приведем давно известную, но очень хорошую аналогию эффекту Доплера. Пусть вы пришли с другом на вокзал — провожать его в дорогу. Он обещает вам отправлять каждый час почтового голубя из поезда на станцию. Для простоты примем, что скорость движения поезда и скорость полета голубя одинаковы и составляют 30 км/час.
Спустя час поезд преодолеет 30 км пути, друг, как и обещал, отправляет голубя. Через сколько от момента отправления поезда вы получите первого голубя? Правильно, через два часа — ибо голубю нужно еще час, что бы преодолеть 30 км до вокзала. Заметьте, друг отправил голубя через час с момента отправления, а вы его получите через два часа!
Еще через час поезд окажется на расстоянии 60 км от вокзала, друг выпустит второго голубя. Так как ему лететь теперь до вокзала два часа, то и получите вы его спустя 4 часа после отправления, или через два часа после получения первого голубя.
Пассажир выпускает голубя каждый час, а вы его будете получать раз в два часа. Вот уж действительно, все в мире относительно. А если бы поезд приближался к станции, где вы встречаете голубей, то все было бы иначе — если считать скорости голубя и поезда одинаковыми, то голуби бы просто прилетели одновременно с прибытием поезда. Если бы они летели медленнее поезда — то опоздали бы — поезд обгонит их. А вот если голуби быстрее поезда — то вы будете получать их чаще, чем пассажир отправляет!
Аналогично ведут себя и волны — при удалении источника от нас они разряжаются (голубь прилетает реже, чем его отправляют), при приближении — учащаются (голубь прилетает чаще, чем его отправляют). В случае световой волны изменение ее частоты (и длины) воспринимается нами как изменение цвета — при удалении космического источника свет от него краснеет, при приближении — синеет, как показано на анимации ниже. В этом и заключается эффект Доплера.
То же самое и с радиоволнами, в том числе радиолинией водорода — мы знаем, что он излучает на частоте 1420,4 МГц (длина волны 21,1 см), и если мы получаем волну на чуть смещенной частоте, то это значит, что ее источник — облака разряженного водорода — движутся к нам или от нас — смотря куда смещена частота. Если частота ниже 1420,4 МГц, то облака водорода движутся от нас, если выше 1420,4 МГц — то приближаются к нам. При таком раскладе радиотелескоп не просто обнаруживает наличие водорода в той или иной части неба и его примерное количество по интенсивности излучения, но и превращается в некий спидометр, измеряющий скорость и направление облаков водорода в Галактике или за ее пределами, на которые он смотрит. Шкалу частот или длин волн в радиотелескопе можно проградуировать прямо в единицах скорости — при космических масштабах это км/с.
Если облако водорода относительно Земли никуда и не движется, то линия радиоизлучения, полученная радиотелескопом, никогда не бывает, собственно «линией» — атомы водорода в облаке не являются неподвижными, так как существует хаотическое тепловое движение. При температуре водорода в межзвездном пространстве от -230°С до -170°С скорость теплового движения его атомов составляет 10-20 км/с — не так уж и мало. Это движение вызывает уширение линии водорода по частоте (или длине волны), так как в какой-либо момент времени всегда есть атомы, движущиеся к нам, и есть атомы, движущиеся от нас. Так как атомы водорода и являются источниками радиоизлучения, то согласно эффекту Доплера его часть радиотелескопом будет приниматься со смещением частоты вверх, часть — со смещением вниз. На экране или ленте самописца это выглядит как размытие принимаемой линии по ширине.
Теперь посмотрим, какой формы сигнал принимает радиотелескоп из разных частей Млечного Пути. Окажется, что он в большей части смещен по частоте, то есть облака межзвездного водорода движутся относительно нас, но что самое интересное — чаще мы будем видеть не один пик, а два-три, частота каждого из которых смещена по-своему. Как это объяснить?
Если мы смотрим в одну точку неба, а видим сразу два сигнала с разной частотой (длиной волны), то очевидно, что мы таким образом видим два облака водорода, находящиеся для нас друг за другом и при этом движущиеся с разными скоростями относительно Земли. Тот сигнал, что слабее, наверняка идет от дальнего облака.
Таким образом, мы двумерную картинку, построенную по измерениям радиотелескопа, превратили в более информативную, заглянув в ее глубь — сделали ее как бы трехмерной, стереоскопической. Вот что нам дал эффект Доплера — способность знать относительную скорость движения разных облаков водорода в Галактике и различать за одним облаком другие, стоящие позади. Достаточно ли этого, что бы построить карту Галактики? Да, этих данных достаточно, но сначала посмотрим, как далеко радиотелескоп «заглядывает».
Достаточно далеко, что бы познать Галактику, не правда ли? Теперь немного о том, как можно самим построить радиокарту Галактики, подобную вышеприведенной или лучше.
Направим радиотелескоп на созвездие Орла. Его луч будет направлен относительно Галактики так, как на рисунке справа.
При этом мы в принимаемом сигнале сумеем при определенной сноровке разглядеть три пика. Один из них, самый сильный и имеющий в пересчете с частоты небольшую скорость относительно нас — это водород в окрестностях Солнца. Второй — это водород, сконцентрированный в неком внутреннем рукаве и из-за вращения вокруг центра Галактики убегающий от нас. Ну и третий — от рукава, в котором, скорее всего, находимся и мы, но от далекой его части, а значит, тоже убегающей от нас.
Если записывать сигналы с разных направлений радиотелескопа на Галактику и сопоставлять их с приведенной простой схемой, то можно понять, как много рукавов в Млечном Пути имеется и в какой стороне они находятся. Нельзя только заглянуть за центр Млечного Пути — он для радиоволн длиной 21 см непроницаем.
Обдумав все данные и нанеся их на лист, можно создать подобие карты Галактики.
Не впечатляет? Тогда сопоставим данные о рукавах с интенсивностью сигналов с разных направлений — тогда можно примерно оценить плотность облаков водорода в разных частях Млечного Пути и изобразить карту получше.
Вот так, с помощью одного инструмента, который как будто всего-лишь измеряет интенсивность радиоизлучения от межзвездного водорода, можно воочию узнать, воссоздать структуру Галактики. Да, не детально — для это нужна высокая разрешающая способность и кропотливый труд, но все же в общих чертах аналогично красивым картинкам в энциклопедиях.
Хочется еще вспомнить одно открытие, сделанное с помощью радиолинии межзвездного водорода. По законам Кеплера планеты движутся тем медленнее, чем дальше они расположены от Солнца или другой звезды — это следует из закона сохранения энергии. Аналогичного уменьшения скорости внешних рукавов по отношению ко внутренним мы ожидаем и от Галактики. Но измерение скорости радиотелескопом показывает обратное — внешние рукава движутся быстрее внутренних! Нарушение закона сохранения энергии? Вряд ли — сказали ученые и придумали термин «темная материя». Дело в том, что объяснить такое движение можно лишь в том случае, если представить, что масса периферийных рукавов больше, чем у внутренних. Но это противоречит другим наблюдениям — именно в центре мы видим большее число массивных объектов, черную дыру, в конце концов, чем на краю диска Галактики. Выход прост — объявим массу на периферии невидимой, темной. Существует ли темная материя, что это такое и как быть с ее энергией — одна из актуальных проблем современной астрофизики.
У вникающего читателя должен остаться хотя бы один вопрос — почему существуют спирали, почему не просто диск? И вообще, звезды постоянно находятся в спиралях? Оказывается, нет — если бы спирали были постоянными образованиями, то при вращении вокруг центра они уже за пару бы витков «намотались» на него, как веревки. На анимации ниже видно, что звезды не находятся в рукавах постоянно — они вращаются сами по себе, по пути заходя в рукава и покидая их.
Если в рукавах нет постоянного вещества, то почему же они существуют и видны? На этот вопрос ответов, вернее теорий, несколько. Рассмотрим одну наиболее понятную и перспективную — теорию волн плотности, предложенную в середине 60-х Чиа-Чао Линем и Фрэнком Шу. Согласно ей, рукава — это словно волны на поверхности воды. Но в галактике, само собой, не вода, а волны плотности вещества (звезд в первую очередь) — в одном месте звезды расположены редко, в другом — чаще (и мы эту часть видим как рукава). Области повышенной плотности звезд движутся в пространстве, что нами воспринимается как движение рукавов. Напоминаем — при распространении волн по поверхности озера сама среда (вода) не перемещается вместе с ними, а лишь качается вверх-вниз. Так же и в галактике — звезды не перемещаются вместе с рукавами, перемещаются лишь области с их высокой плотностью. Как так?
Согласно тем же законам Кеплера, все небесные тела, включая звезды, обращаются по эллиптическим орбитам. При этом орбиты (траектории небесных тел) могут в пространстве вращаться. Взглянем на рисунок ниже, где представлены несколько орбит звезд, обращающихся вокруг центра галактики. В некоторых местах они подходят близко друг к другу (а значит и звезды там плотнее расположены друг к другу) — эти области для нас являются рукавами. Вместе с вращением орбит звезд вращаются и зоны повышенной плотности — рукава. Звезды же, двигаясь по орбитам, входят в эти зоны и покидают их.
Рукава, имея повышенную плотность водорода, являются кузницей звезд — именно в них они рождаются, собирая водород в пространстве и, набрав критическую массу, вспыхивают ярким светом.
На последок посмотрим на великолепное творение Владимира Нестерова, советского художника, которое передаёт нам, потомкам: дух времени, дух 60-х годов, времени первопроходцев, первооткрывателей, исследователей Вселенной, мечтающих о космических путешествиях, о исследовании Марса и постройке населённых пунктов на Луне. Она подходит к нашей теме как нельзя лучше — девушка с упоением слушает сигнал из космоса, полученный с помощью труда ученых, понимая, что это новая веха, что мир больше уже не будет таким, каким был до этого момента.
И помните — этот желтый кружок на иллюстрации ниже — в нем все звезды, что человек может увидеть невооруженным глазом в лучшем случае, чаще — гораздо меньше.
