Представляя себе далекие звезды, мы обычно думаем о расстояниях в десятки, сотни или тысячи световых лет. Все эти светила принадлежат к нашей Галактике - Млечному Пути. Современные телескопы способны разрешить звезды в ближайших галактиках - расстояние до них может достигать десятков миллионов световых лет. Но насколько далеко простираются возможности наблюдательной техники, особенно когда ей помогает природа? Недавнее удивительное открытие Икара - самой далекой звезды во Вселенной из числа известных на сегодняшний день - свидетельствует о возможности наблюдения чрезвычайно удаленных космических феноменов.
Помощь природы
Существует явление, благодаря которому астрономам может быть доступно наблюдение наиболее дальних объектов Вселенной. Называется оно является одним из следствий общей теории относительности и связано с отклонением светового луча в поле гравитации.
Эффект линзирования заключается в том, что если между наблюдателем и источником света на луче зрения располагается какой-либо массивный объект, то , искривляясь в его гравитационном поле, создают искаженное или множественное изображение источника. Строго говоря, лучи отклоняются в поле тяготения любого тела, но наиболее заметный эффект дают, конечно, самые массивные образования во Вселенной - скопления галактик.
В случаях, когда в качестве линзы выступает малое космическое тело, например одиночная звезда, визуальное искажение источника практически невозможно зафиксировать, но яркость его может существенно возрасти. Такое событие называют микролинзированием. В истории открытия самой далекой от Земли звезды сыграли роль оба типа гравитационного линзирования.
Как произошло открытие
Обнаружению Икара способствовала счастливая случайность. Астрономы вели наблюдение одного из удаленных MACS J1149.5+2223, находящегося приблизительно в пяти миллиардах световых лет от нас. Оно интересно как гравитационная линза, благодаря особой конфигурации которой световые лучи искривляются по-разному и проходят в итоге разные расстояния до наблюдателя. Вследствие этого отдельные элементы линзированного изображения источника света должны запаздывать.
В 2015 году астрономы ждали предсказанной в рамках данного эффекта повторной вспышки сверхновой Рефсдаль в очень далекой галактике, свет от которой достигает Земли за 9,34 миллиарда лет. Ожидаемое событие действительно произошло. Но на снимках 2016-2017 годов, полученных телескопом «Хаббл», помимо сверхновой, обнаружилось еще кое-что, не менее интересное, а именно изображение звезды, принадлежащей к той же удаленной галактике. По характеру блеска определили, что это - не сверхновая, не гамма-всплеск, а обычная звезда.
Увидеть отдельное светило на таком огромном расстоянии стало возможно благодаря событию микролинзирования в самой галактике. Случайным образом перед звездой прошел объект - скорее всего, другая звезда - с массой порядка солнечной. Сам он, конечно, остался невидимым, но его поле гравитации усилило блеск источника света. В сочетании с линзирующим эффектом кластера MACS J1149.5+2223 это явление дало усиление яркости самой далекой видимой звезды в 2000 раз!
Звезда по имени Икар
Новооткрытому светилу было присвоено официальное наименование MACS J1149.5+2223 LS1 (Lensed Star 1) и собственное имя - Икар. Предыдущий рекордсмен, носивший гордый титул самой далекой звезды, которую удалось наблюдать, расположен в сто раз ближе.
Икар чрезвычайно ярок и горяч. Это голубой сверхгигант спектрального класса В. Астрономам удалось определить основные характеристики звезды, такие как:
- масса - не менее 33 масс Солнца;
- светимость - превышает солнечную приблизительно в 850 000 раз;
- температура - от 11 до 14 тысяч кельвин;
- металличность (содержание химических элементов тяжелее гелия) - около 0,006 солнечной.
Судьба самой далекой звезды
Событие микролинзирования, позволившее увидеть Икар, произошло, как мы уже знаем, 9,34 миллиарда лет назад. Возраст Вселенной составлял тогда всего около 4,4 миллиарда лет. Снимок этой звезды - своего рода мелкомасштабный стоп-кадр той давней эпохи.
За время, в течение которого свет, испущенный 9 с лишним миллиардов лет назад, преодолел расстояние до Земли, космологическое расширение Вселенной отодвинуло галактику, в которой жила самая далекая звезда, до расстояния в 14,4 миллиарда световых лет.
Сам же Икар, согласно современным представлениям об эволюции звезд, давно прекратил существование, ведь чем массивнее звезда, тем короче должно быть время ее жизни. Не исключено, что часть вещества Икара послужила строительным материалом для новых светил и, вполне возможно, их планет.
Увидим ли мы его снова
Несмотря на то что случайный акт микролинзирования - очень кратковременное событие, ученые имеют шанс увидеть Икара снова, и даже с большей яркостью, поскольку в крупном линзирующем скоплении MACS J1149.5+2223 множество звезд должно находиться вблизи луча зрения Икар - Земля, и пересечь этот луч может любая из них. Разумеется, есть вероятность увидеть таким же образом и другие удаленные звезды.
А может быть, когда-нибудь астрономам повезет зафиксировать грандиозный взрыв - вспышку сверхновой, которой завершила свою жизнь самая далекая звезда.
Когда вы смотрите на небо тёмной ночью при ясной погоде, вы видите множество звёзд. Однако практически все они находятся в нашей галактике, Млечном пути. Даже самые далёкие из тех, что вы можете разглядеть без телескопа, находятся на расстоянии меньше двадцати тысяч световых лет от Земли. Может показаться, что это гигантская дистанция, но космос гораздо больше непосредственных наших окрестностей. Он действительно огромен, и именно поэтому учёным невероятно трудно изучать звёзды, находящиеся за пределами нашей галактики. Самое далёкое светило, которое удалось изолировать от окружающего её постороннего свечения, находится на расстоянии всего 55 миллионов световых лет от нас.
Научные достижения
Однако если астрономы ни в чём не ошибаются, недавно этот рекорд был побит. Согласно статье, опубликованной в марте этого года в журнале «Nature Astronomy», он был разбит в пух и прах, сметён и растоптан. Он перешёл к звезде, которая находится от нас, вдумайтесь только, в 14 миллиардах световых годах! Надо отметить, что астрономам нередко удаётся разглядеть удалённые от нашей планеты объекты. С помощью телескопов они могут видеть самые яркие сверхновые в 10 миллиардах световых годах от нас. Однако обычные звёзды невозможно рассмотреть даже на расстоянии, в сотни раз меньшем. И вот тут мы в первый раз упоминаем про «гравитационное линзирование».
Это явление происходит в тех случаях, когда огромная масса, имеющаяся у галактики или даже скопления галактик, искривляет, искажает и усиливает свет, источник которого находится за ней. Этот феномен возможен благодаря тому, что подобные объекты фактически искривляют само пространство вокруг себя. Галактики, создающие эффект гравитационного линзирования, «усиливают» яркость в среднем в 50 раз.
Далекие Звезды
Та звезда, о которой сегодня идёт речь, находится за скоплением галактик, находящимся в 6 миллиардах световых годах от нас, и её свет был усилен более чем в 2000 раз! В научных каталогах она значится как MACS J1149 Lensed Star 1. Однако учёные, обнаружившие её, дали ей и неофициальное название — Икар. Спасибо им за это большое, нам тоже так гораздо удобнее.
Икар был замечен, можно сказать, совершенно случайно, когда исследователи рассматривали снимки сверхновой, сделанные космическим телескопом «Хаббл» в 2016 и 2017 годах. Недалеко от неё они заметили небольшое яркое пятнышко. Оно со временем меняло яркость, но совсем не так, как это делают сверхновые. Цветовая гамма света, идущего от этого объекта, оставалась неизменной в течение многих месяцев. Дальнейший анализ показал, что мы имеем дело с голубым сверхгигантом.
Эти звёзды гораздо крупнее, массивнее, горячее Солнца и в сотни тысяч раз ярче его. Это такое небольшое напоминание о том, что любое явление в космосе может иметь поистине космические масштабы. Все голубые сверхгиганты обладают схожими характеристиками, поэтому, сравнив свет Икара со светом таких же объектов нашей галактики, астрономы смогли рассчитать расстояние до него. Выяснилось, что звезда имеет возраст 9 миллиардов лет, а связи с тем, что Вселенная расширяется, сейчас до этого светила вообще 14 миллиардов световых лет.
Как же Икару удалось увеличить своё изображение в 2000 раз, если обычное значение гравитационного линзирования составляет всего 50? Ответ — микролинзы. Это небольшие объекты, находящиеся внутри крупных линз. Это могут быть отдельные звёзды, обеспечивающие дополнительное приближение «картинки». Линзы внутри линз. Этот эффект длится сравнительно недолго, потому что микролинзы постоянно сходят с нужной позиции и вновь возвращаются на неё. Однако если мы внимательно следим за происходящим, перед нами открываются огромные возможности. С помощью микролинзирования учёным удалось найти даже планеты за пределами Млечного пути!
Самая далекая звезда
Икар, кстати, может быть полезен не только как обладатель рекорда, занесённый в соответствующую книгу. Изучая то, как действует на него с течением времени эффект приближения, астрономы надеются составить точную модель распределения материи в «линзирующем» скоплении галактик. Это, вероятно, включает в себя и тёмную материю, которую мы всё никак не можем найти, рассмотреть и пощупать, но которая оказывает гравитационное воздействие на прочие космические объекты. Таким образом, Икар может помочь нам значительно увеличить объём своих знаний о Вселенной. Что ж, его древнегреческий тёзка тоже был весьма положительным персонажем, хоть рекордсменом так и не стал, как ни старался. Надеемся, что и наш Икар не посрамит славного имени.
Древние считали, что все звезды находятся на одинаковом расстоянии от Земли, прикрепленные к хрустальной сфере. В античные времена Земля считалась неподвижным центром Вселенной, вокруг которого вращались Солнце, Луна, планеты и звезды. Природа небесных тел в то время была неизвестна, и лишь очень немногие философы полагали, что звезды являются, по сути, далекими солнцами.
Это представление стало распространяться только после появления учения Коперника в XVI веке. Чтобы объяснить неравномерности в движении планет по небу, Коперник предположил, что в центре Вселенной находится не Земля, но Солнце, вокруг которого вращались планеты. Земля, лишившись статуса центра, стала всего лишь одной из планет: теперь она не покоилась неподвижно, но обращалась вокруг Солнца по орбите. Тогда у некоторых ученых появилась идея измерить расстояния до звезд. Метод, который они предложили, называется методом годичного параллакса.
Идея была проста и заключалась в следующем. Если постоянно измерять положение звезды на небе, то можно заметить, как звезда описывает в пространстве крохотные эллипсы с периодом в 1 год. Смещение звезды должно происходить из-за движения Земли по орбите вокруг Солнца, и величина его будет тем больше, чем ближе к нам располагается звезда. Зная величину угла смещения или, иначе, параллакс звезды, можно без труда найти расстояние до нее по формуле D=a/sin(p), где a – большая полуось земной орбиты, а p – величина параллакса, измеряемая в секундах дуги.
Несмотря на простоту метода, ученым долгое время не удавалось обнаружить у звезд параллаксы. Некоторые считали это доказательством ошибочности теории Коперника, но большинство полагало, что звезды просто очень далеки от нас, чтобы надеяться определить их параллакс.
Только в XIX веке с появлением нового поколения телескопов, позволявших измерять очень малые углы, ученые смогли надежно определить расстояния до некоторых звезд. Первым параллакс измерил великий русский астроном, первый директор Пулковской обсерватории, Василий Яковлевич Струве в 1837 году. Наблюдая звезду Вегу, он нашел, что ее параллакс равен 0”,125. Это совершенно ничтожный угол. Достаточно сказать, что под таким углом будет виден невооруженному глазу человек с расстояния в 3000 километров!
Теперь можно было вычислить и расстояние до этой звезды. Если расстояние от Земли до Солнца (а) принять за 1, то D=1/sin(0”,125), что равно 1650000. Эта цифра показывает, во сколько раз Вега дальше от Земли, чем Солнце. Такие колоссальные расстояния неудобно измерять в километрах, поэтому астрономы пользуются парсеками. Парсек – это расстояние, с которого большая полуось земной орбиты, перпендикулярная к лучу зрения, видна под углом в 1". Расстояние в парсеках равно обратной величине параллакса. Так как параллакс Веги составляет всего лишь 1/8 угловой секунды, то расстояние до звезды равно 8 парсекам.
Это очень большая величина. Свет, двигаясь со скоростью 300000 км/с, преодолеет это расстояние за 26 лет. Это значит, что наблюдаемый нами свет Веги был испущен звездой 26 лет назад!
На сегодняшний день ученым известны параллаксы более сотни тысяч звезд. Метод годичных параллаксов позволил астрономам определить точные расстояния до звезд в радиусе примерно сотни парсек или 320 световых лет от Солнца. Расстояния до более далеких звезд определяются другими, косвенными методами. Но в их основании находится все тот же метод годичного параллакса.
При наблюдении за какой-нибудь звездой с двух противоположных точек земного шара практически невозможно заметить различия в направлениях на звезду. Звезды находятся от Земли во много раз дальше, чем Луна, планеты, Солнце. Определить расстояние до ближайшей к нам звезды удалось русскому ученому В. Я. Струве. Это было более ста лет назад. Для этого ему пришлось наблюдать ее не с концов земного диаметра, а с концов прямой линии, которая в 23600 раз длиннее. Где же он мог взять такую прямую линию, которая на земном шаре не может уместиться? Оказывается, эта линия существует в природе. Это диаметр земной орбиты. За полгода земной шар перенесет нас на другую сторону от Солнца. Зная диаметр земной орбиты (а он вдвое больше среднего расстояния до Солнца), измерив углы, под которыми наблюдается звезда, можно вычислить расстояние до нее.
Самые близкие к нам звезды — Проксима Центавра и Альфа Центавра — находятся в 270 000 раз дальше от Земли, чем Солнце. Лучу света от этих звезд приходится лететь до Земли 4,5 года.
Расстояния до звезд огромны и измерять их километрами неудобно. Получается слишком большое число километров. И ученые ввели более крупную единицу измерения: световой год. Это такое расстояние, которое свет проходит в течение одного года.
Во сколько раз эта единица измерения больше, чем километр? 300000 км/с надо умножить на число секунд в году. Получим приблизительно 10 триллионов километров. Значит, один световой год больше одного километра в 10 триллионов раз (10 000 000 000 000).
Звезды могут находиться от нас на расстояниях, равных десяткам, сотням, тысячам световых лет и более.
Днем воздух так же прозрачен, как и ночью, однако звезды не видны. Все дело в том, что в дневное время атмосфера рассеивает солнечный свет. Попробуйте вечером из хорошо освещенной комнаты посмотреть на улицу. Сквозь оконное стекло яркие фонари, расположенные снаружи, видны достаточно хорошо, а слабо освещенные предметы разглядеть почти невозможно. Но стоит только выключить свет…
Река тихо и плавно течет по равнине, а на крутых обрывах ускоряет свое движение. Поток глубоко врезается в почву и образует узкие ущелья с крутыми и высокими стенами. Особенно быстро размывает вода берега, состоящие из рыхлых пород. Если же путь реке преграждают горы, она или огибает их, или пробивает, создавая глубокие ущелья и каньоны. Иногда…
Самое чистое и глубокое озеро — Байкал. Его длина 620 километров при ширине от 32 до 74 километров. Глубина озера в самом глубоком месте — трещине Ольхон — равна 1940 метрам. Объем пресной воды в озере составляет 2300 кубических километров. Африканской сестрой Байкала называют географы озеро Таньганьику. Оно возникло на территории Восточной Африки много миллионов…
Народная русская мудрость гласит: “Ставь дом там, где овцы легли”. А в Китае существует обычай не приступать к строительству дома, пока не убедишься в том, что место застройки свободно от “глубинных демонов”. Именно поэтому большинство старинных городов и сел как у нас на Руси, так во многих других странах, расположены очень удачно. Хотя есть, конечно,…
Потребность измерять время возникла у людей уже в глубокой древности. Первые календари появились много тысяч лет назад на заре человеческой цивилизации. Люди научились измерять промежутки времени, сопоставлять их с явлениями, которые повторялись периодически (смена дня и ночи, смена фаз Луны, смена времен года). Без использования единиц измерения времени люди не могли жить, общаться между собой,…
В этом созвездии две яркие звезды находятся очень близко одна от другой. Свое название они получили в честь аргонавтов Диоскуров — Кастора и Поллукса — близнецов, сыновей 3евса, самого могущественного из олимпийских богов, и Леды, легкомысленной земной красавицы, братьев Елены прекрасной — виновницы Троянской войны. Кастор славился как искусный возничий, а Поллукс как непревзойденный кулачный…
Великий итальянец Галилео Галилей (1564—1642), много сделавший для развития математики, механики, физики, достиг поразительных успехов в изучении небесных тел. Он прославился не только рядом астрономических открытий, но и огромной смелостью, с которой он встал на защиту учения Коперника, запрещенного всесильной церковью. В 1609 году Галилей узнал, что в Голландии появился прибор-дальновидец (так переводится с греческого…
Солнечное и лунное затмения знакомы человеку с глубокой древности. Когда человек еще не знал, отчего происходят эти явления, угасание Солнца средь бела дня вызывало у него панический страх. Это действительно таинственное и величественное зрелище. Яркое Солнце сияет на синем небел и постепенно солнечный свет начинает ослабевать. На правом краю Солнца появляется ущерб. Он медленно увеличивается,…
А что если и наша звезда — Солнце — вдруг вспыхнет сверхновой? Исчезнет сама и нас вычеркнет из Вселенной навсегда? Как говорят ученые, это событие хотя и возможно, но вероятность его очень мала. Свою энергию звезда получает, постепенно превращая водород в гелий, затем в более тяжелые элементы (углерод, кислород, неон и другие) с помощью цепочки…
Самая крупная планета носит имя верховного бога Олимпа. По объему Юпитер больше Земли в 1310 раз, а по массе — в 318 раз. По расстоянию от Солнца Юпитер на пятом месте, а по блеску он занимает на небе четвертое место после Солнца, Луны и Венеры. В телескоп видна сжатая у полюсов планета с заметным рядом…
Определение расстояния в астрономии зависит обычно от того, насколько далеко находится небесное тело. Некоторые методы можно применять лишь для относительно близких объектов, например, соседних с нами планет. Другие - для более удаленных, таких как звёзды или даже галактики. Однако эти способы, как правило, менее точны.
Как определить расстояние до объекта в космосе
Способ определения расстояния до соседних планет
В Солнечной системе это относительно просто: движение планет здесь рассчитывается по законам Кеплера, и можно вычислить удаленность близлежащих планет и астероидов с помощью радиолокационных измерений. Таким путём устанавливать расстояние весьма легко.
Внутри Солнечной системы действуют законы Кеплера
Как измеряют расстояние до звезд
Для относительно близких к нам звезд можно определять так называемый параллакс. При этом необходимо наблюдать, как изменяется положение звезды в результате обращения Земли вокруг нашего светила относительно звезд, гораздо более удаленных от нас. В зависимости от точности измерения возможно довольно точное и прямое определение расстояние.
Вычисление расстояний по параллаксу звезд
Если это не подходит, можно попытаться определить тип звезды по спектру, чтобы по истинной яркости сделать вывод об удаленности. Это уже косвенный метод, так как нужно делать о звезде определенные предположения.
Измерение расстояний по спектру звезд
Если невозможно применить и этот метод, то ученые пытаются обойтись"шкалой расстояний". При этом ищут звезды, яркость которых точно известна по наблюдениям в нашей Галактике. Такие объекты называются "стандартные свечи". Ими служат, например, звезды-цефеиды, чьи яркость периодически изменяется. Согласно теории, скорость этих изменений зависит от максимальной яркости звезды.
Вычисление расстояний по цефеидам
Если такие цефеиды обнаруживают в другой галактике и можно наблюдать, как меняется яркость звезды, то определяется её максимальная яркость, а затем расстояние от нас. Другим примером стандартной свечи служит определенный вид взрыва сверхновой, у которой, как считают астрономы, всегда одинаковая максимальная яркость.
Стандартной свечой может быть взрыв сверхновой
Тем не менее, даже этот метод имеет свои ограничения. Тогда астрономы используют красное смещение в спектрах галактик.
Увеличение длины волны света, исходящего из галактики, придает ему на спектре более красный цвет, названный красным смещением
Исходя из него, может быть рассчитана скорость удаления галактики, которая непосредственно связана - согласно закону Хаббла - с расстоянием до этой галактики от Земли.
