Глядя в ясное ночное небо, мы видим звезды. Многие небесные “туманности”, если смотреть на них в телескоп, также оказываются группами звезд. Таков, например, Млечный Путь — наша Галактика, включающая сотни миллиардов звезд. До недавнего времени считалось, что в звездах сосредоточено почти все вещество Вселенной. В Солнечной системе, например, масса центральной звезды, Солнца, намного превосходит суммарную массу других тел: планет, астероидов, комет, пылинок, льдинок. В середине XX в. казалось, что мы понимаем строение Вселенной: множество галактик, состоящих из звезд, с планетными системами вокруг некоторых из них — и всей этой иерархией правит сила всемирного тяготения, или гравитация. Даже считавшиеся редкими двойные звезды, планеты, газовые и пылевые облака должны подчиняться этой великой силе. Но изучая распределение и движение звезд в окрестностях Солнечной системы и во всей Галактике, ученые открывали один неожиданный факт за другим.

Невидимое вещество

В Солнечной системе действует правило: чем ближе планета к Солнцу, тем быстрее она вращается вокруг него. То же самое правило должно действовать и в Галактике: звезды, близкие к центру Галактики, должны вращаться вокруг него гораздо быстрее звезд, находящихся на периферии. Однако на самом краю Галактики звезды движутся так же быстро, как и близкие к центру. Это не соответствует законам Кеплера, механике Ньютона и в конечном счете закону всемирного тяготения. Чем пристальнее ученые следили за движением звезд, тем более странным оно выглядело. Группы звезд, которые должны разлетаться в разные стороны, как выяснилось, держатся вместе миллиарды лет. Некоторые звезды меняли направление своего движения в космосе без видимых причин, как куклы-марионетки, будто они перестали подчиняться силе тяготения. Кто-то невидимый оказался настоящим хозяином Вселенной, словно у звезд, источников света, появились тени. Прояснялась одна удивительная истина: свет и масса не обязательно сопутствуют друг другу. Во Вселенной много и ярких объектов малой массы, и слабо светящих массивных тел.

Самым наглядным примером слабо светящих небесных тел служат планеты Солнечной системы, которые лишь отражают солнечный свет. Уран, Нептун и Плутон долгое время даже оставались невидимыми и неизвестными на Земле. Собственно, без телескопа они остаются невидимыми и сегодня, хотя мы видим на небе невооруженным глазом тысячи гораздо более далеких светил — звезд. Часто мы говорим “невидимый” объект, но подразумеваем “пока невидимый”, “слишком слабо светящий”. Астрономы создают и используют все более крупные телескопы для того, чтобы увидеть такие объекты. Но надо знать, где искать их на небе и как они выглядят. Многие небесные тела практически не видны в обычном свете, но проявляются в других диапазонах электромагнитного излучения: радио, инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском, гамма (правда, в нашей Галактике среди всех излучений преобладает видимый свет). Однако есть массивные тела, которые светят слабо во всех диапазонах.

Мы видим источники излучения. Нашему взгляду и приборам доступна светящаяся, излучающая Вселенная, но если бы мы регистрировали распределение массы, Вселенная выглядела бы совсем иначе. И ученые стремятся увидеть эту “Вселенную масс”, “Вселенную вещества”, вместо привычной для нас “Вселенной света”, “Вселенной излучений”. Зачем?

• Во-первых, только так можно понять и предсказать движение тел в окрестностях Солнца, в Галактике, во Вселенной и даже предсказать некоторые космические источники опасности для Земли;
• во-вторых, по современным данным, основная часть вещества Галактики и Вселенной еще невидима (т.е. светит очень слабо), и астрономия, физика, химия далеки от всеобъемлющего описания мира, пока мы не изучим невидимое вещество; ведь науки о рождении, развитии и основных законах Вселенной — космогония и космология — опираются на данные о распределении и движении вещества во Вселенной;
• в-третьих, многие вещества и физические явления, открытые в XX в. и уже ставшие привычными, были предсказаны или обнаружены при исследовании далеких объектов космоса (именно телескоп — прибор, давший больше всего открытий в нашем веке!);
• в-четвертых, возможно, среди невидимых тел космоса будут открыты неизвестные ныне классы тел, еще более удивительные, чем знаменитые черные дыры и
• в-пятых, улучшая методы исследований, мы можем обнаруживать все менее массивные невидимые тела, в том числе планеты типа Юпитера и, наконец, планеты типа Земли, а это уже прямые поиски Жизни и Разума во Вселенной.

Каковы эти невидимые объекты?

Свет и масса

Среди слабо светящих массивных тел первыми были открыты белые карлики — звезды с массой, как у Солнца, но размером с Землю. Плотность таких звезд огромна: горошина их вещества весит тонну! Вообще, как правило, массивные темные тела имеют большую плотность и малую площадь поверхности (и, следовательно, малую яркость).

Другой класс массивных слабо светящих тел — нейтронные звезды (пульсары). Их размеры — десятки километров, а плотность такова, что горошина вещества весит сто миллионов тонн!

Черные дыры — самые “скрытные” объекты — единственные абсолютно невидимые. Внутри обычной или нейтронной звезды силе тяготения между частицами, стремящейся сжать звезду, противостоит давление вещества, распирающее звезду, и устанавливается равновесие этих сил. Если сила тяготения побеждает, звезда сжимается неограниченно, и образуется черная дыра — массивный, но совершенно невидимый объект: излучение не может покинуть его поверхность. Но даже черные дыры проявляются благодаря их массе и соответствующей силе тяготения, действующей на другие тела и изменяющей их движение (http://antwrp.gsfc.nasa.gov/htmltest/rjn_bht.html).

Белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры — это этапы эволюции звезд, когда-то эти объекты были обычными звездами и светили ярко. Но, оказывается, во Вселенной много объектов, более или менее темных с самого рождения.

В Солнечной системе между орбитами Марса и Юпитера есть пояс астероидов (малых планет) — каменных и железных тел неправильной формы с размерами до 1000 км. Сейчас известны десятки тысяч астероидов. Каждый из них движется по своей орбите вокруг Солнца. Наиболее правдоподобное объяснение их образования — гипотеза о том, что несколько миллиардов лет назад при рождении Солнца и планет Солнечной системы из межзвездного газо-пылевого облака сформировались и астероиды, но затем они не смогли собраться в большую планету, подобную Земле. В последние годы все больше темных тел, аналогичных астероидам, открывается на самом краю Солнечной системы, в так называемом поясе Койпера. Может быть, такие тела насыщают собой межзвездное пространство и даже составляют основную часть массы Галактики.

В самом деле, звезды и планеты возникают из массивных газо-пылевых облаков. В одном облаке образуется сразу целая группа звезд, которые еще много миллионов лет составляют рассеянное звездное скопление, причем масса “сырьевого” облака намного превосходит массу “конечного продукта” — звездной группы. Логично предположить, что при этом возникает немало и мелких “отходов производства” — темных тел, масса каждого из которых недостаточна для его превращения в яркую звезду, но суммарная масса может быть даже больше, чем масса звезды. Такие тела остаются невидимыми на периферии звездных групп и планетных систем.

Вполне возможно, что во Вселенной действует закон: чем меньше масса тела, тем больше таких тел существует. По крайней мере это верно для звезд: звезд-карликов с малой массой гораздо больше, чем массивных звезд-гигантов. Самые маломассивные звезды, можно сказать, греют, но не светят: они излучают в основном в инфракрасном (тепловом) диапазоне, имеют темно-красный цвет, не слишком горячую поверхность. Термоядерные реакции — важный признак звезды — идут в них местами и эпизодически. Такие звезды названы коричневыми карликами. Современные телескопы способны увидеть только несколько этих карликов в ближайших окрестностях Солнца, не дальше. Но с точки зрения современной теории их должно быть очень много! Видимо, они заполняют массивные короны галактик и играют важную роль в динамике Вселенной.

Слабо светящие и невидимые объекты изучаются специальными методами. Например, черная дыра становится заметной, когда газ близлежащих звезд медленно падает в нее по гигантской светящейся спирали. Нейтронные звезды часто являются источниками мощных радиоимпульсов, принимаемых на Земле.

Звезды с массивными невидимыми спутниками

Слабо светящие и невидимые объекты часто искажают движение видимых звезд. Наблюдения за некоторыми звездами в течение многих лет показывают, что они движутся в пространстве по некоему эллипсу, но другой компонент такой звездной системы остается невидимым, хотя он должен быть достаточно массивным для того, чтобы влиять на движение видимой звезды. Такие звезды называются астрометрическими двойными, или звездами с массивными невидимыми спутниками (Мартынов Д.Я. Курс общей астрофизики. М., 1988. С.152—193; Бэттен А. Двойные и кратные звезды. М., 1976). Невидимый спутник впервые проявился в наблюдениях Сириуса (ярчайшей звезды), обработанных Фридрихом Бесселем в 1844 г. А в 1862 г. спутник Сириуса был открыт с помощью одного из лучших телескопов; он оказался слабо светящей, но очень массивной и плотной звездой — белым карликом. В последние годы звезды с невидимыми спутниками исследуются все интенсивнее (http://wwwusr.obspm.fr/planets/).

Обычная звезда медленно перемещается по дуге большого круга небесной сферы, можно сказать, движется прямолинейно. Если звезда входит в двойную или кратную систему, то, конечно, движется на небе не по прямой, но почти всегда виден компонент, вызывающий такое движение. До недавнего времени было известно всего лишь несколько звезд, которые перемещались на небе по некой кривой без видимой причины. Они-то и являются упомянутыми выше астрометрическими двойными звездами, или звездами с невидимыми спутниками.
.

Криволинейное движение звезды по небесной сфере, вызванное невидимым массивным небесным телом.

.
Из сказанного ясно, как обнаружить такую звезду: нужно определять ее положение на небесной сфере (координаты звезды) в течение некоторого времени, затем нанести результат на график и убедиться в том, что звезда движется по кривой. Координаты на небесной сфере аналогичны географическим координатам на Земле — долготе и широте — и называются соответственно прямым восхождением и склонением. Измерением координат звезд занимается раздел астрономии, называемый астрометрией (отсюда — “астрометрические двойные звезды”). В результате многовековых наблюдений составлены каталоги координат и других характеристик миллионов звезд (http://cdsweb.u-strasbg.fr/). Большой вклад в составление таких каталогов в XIX—XX вв. внесла Пулковская обсерватория. Но обнаружение криволинейного движения звезды — непростая задача: даже для открытия близкой звезды с невидимым спутником необходимо много лет измерять координаты звезды на небесной сфере с погрешностью меньше 0.1 угловой секунды, что равносильно измерению толщины человеческого волоса на расстоянии 100 метров! Это предел возможностей обычных наземных телескопов.

Проект “HIPPARCOS”

В 1989 г. Европейское космическое агентство запустило в околоземное пространство специальный спутник для измерения расстояний до звезд, их координат и других характеристик. Проект, готовившийся в течение десятка лет и реализованный в 1989—1993 гг., получил название “HIPPARCOS”. Эта аббревиатура, расшифровывающаяся как High Precision Parallax and Coordinate Satellite (“Спутник для высокоточного определения параллаксов и координат”), созвучна имени древнегреческого астронома Гиппарха, который составил первый в истории астрономии список 850 ярких звезд на небе, разделил звезды по яркости на шесть величин, ввел понятия географических широт и долгот, разработал способ предсказания солнечных и лунных затмений.

В результате работы аппарата “HIPPARCOS” получен Каталог “HIP” с координатами и другими характеристиками 118 тысяч самых ярких звезд (European Space Agency. The HIPPARCOS and Tycho catalogues, ESA SP-1200. 1997; http://astro.estec.esa.nl/Hipparco.s/). Координаты звезд для Каталога “HIP” измерены со средней погрешностью около 0.001 угловой секунды — это аналогично измерению толщины человеческого волоса на расстоянии 10 километров! Кроме того, впервые точно определены расстояния до более чем 100 тыс. звезд. Спутником “HIPPARCOS” открыты 2910 звезд с криволинейным перемещением по небу (т.е. звезд с невидимыми спутниками).

Охота на невидимку

За четыре года наблюдений спутник “HIPPARCOS” смог лишь обнаружить криволинейное перемещение множества звезд по небу. Для многих из них период обращения видимой звезды вокруг невидимого центра звездной системы составляет десятки лет, и чтобы увидеть полноценную замкнутую орбиту звезды в пространстве, необходимо наблюдать звезду в течение длительного времени. Только тогда можно определить важные характеристики звездной системы с невидимым объектом: общее число звезд, планет и других тел в звездной системе, расстояние между ними, их массу, период обращения и другие элементы орбиты каждого тела звездной системы. Выходит, для исследования всякой звезды с невидимым спутником надо ждать десятилетия, пока звезда не замкнет орбиту?

Оказывается, звезды с невидимыми спутниками можно изучать и сегодня по старым наблюдениям положений звезд на небе, выполненным с Земли! Конечно точность наземных наблюдений намного хуже, чем результатов спутника “HIPPARCOS” (примерно в 100 раз!). Но зато наземные наблюдения выполняются на разных телескопах уже более 100 лет. Как же объединить точные наблюдения спутника “HIPPARCOS” и длительные наземные наблюдения? Над этим работают несколько групп ученых в институтах и обсерваториях разных стран. В России, в Пулковской обсерватории (Главной астрономической обсерватории Российской академии наук) наша группа проводит исследования по этой теме при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (http://pulkovo.da.ru).

Точность + длительность

Положение одной и той же звезды на небе определялось разными наземными телескопами в разные годы. И казалось бы, можно просто сравнить эти положения звезды и увидеть как звезда “петляет” на небе. Но каждый телескоп несовершенен и находит положение звезды с какой-то ошибкой. Даже если наблюдать звезду одним телескопом много лет, никогда не ясно, “петляет” ли звезда на небе, или очень медленно покачивается сам телескоп. Как исправить ошибки подобных измерений, и удастся ли это сделать? Оказывается, для исправления наземных измерений можно использовать космические измерения спутника “HIPPARCOS”, ведь они практически безошибочны!

Допустим, координата звезды в каком-то каталоге, составленном по данным наземного телескопа, отличается от координаты той же звезды в Каталоге “HIP”, полученном спутником “HIPPARCOS”. Ошибочны ли наземные измерения, или звезда изменила свое положение на небе? Нам пришлось разделить все звезды на две группы:

• — подавляющее большинство звезд, даже если они и имеют какие-то невидимые спутники, никак этого не проявляют. На современном этапе развития астрономии мы можем считать такие звезды одиночными;
• меньшинство звезд — известные или подозреваемые двойные и кратные звездные системы. Сам спутник “HIPPARCOS”, например, открыл (но не исследовал!) тысячи таких систем.

Одиночные звезды перемещаются на небе по прямой известным нам образом, поэтому если координата одиночной звезды на небе, определенная наземным телескопом, отличается от координаты, измеренной спутником “HIPPARCOS”, то налицо ошибка наземного телескопа, которую можно вычислить. Таким образом мы можем узнать и исправить неточности наземных измерений. Предполагая, что наземный телескоп одинаково ошибается при измерениях для одиночной и двойной звезд на одну и ту же величину, мы корректируем измерения и для двойных звезд. Теперь оставшиеся изменения в положении звезды, по данным разных каталогов, отражают ее реальное перемещение по небу. Так мы можем сравнивать и анализировать измерения положений звезд с невидимыми спутниками, выполненные на разных телескопах в разные годы.

В качестве примера на рисунке показаны результаты наблюдений положения звезды g в созвездии Цефея (у нее есть имя — Алрай и номер 116727 из Каталога “HIP”). Эта звезда весьма интересна: старая красная звезда с массой, как у Солнца, довольно близка к нам и, возможно, имеет планетную систему. Невидимый спутник этой звезды, вызывающий ее орбитальное движение, должен быть весьма массивным. Скорее всего это белый карлик. По нашим данным можно достаточно уверенно указать, где именно на небе стоит искать его в ближайшие годы.
 

Изменение со временем небесных координат звезды g Цефея: точками отмечены результаты наземных астрометрических наблюдений в разные годы. Толстой кривой около 1990 г. отмечен результат спутника “HIPPARCOS”, по всем результатам проведена тонкая кривая — часть видимой орбиты звезды вокруг невидимого центра звездной системы, примерное положение которого показано звездочкой. Отмеченные годы отражают положение звезды на орбите. Координаты даны в угловых секундах. Наблюдения в течение 70 лет не покрывают всю орбиту (тонкая кривая незамкнута), полный период обращения — более 100 лет.

Подобные результаты получены нами для нескольких десятков ярких звезд. Для каждой из них определены период обращения и другие характеристики членов звездной системы, включая предполагаемое положение массивного невидимого тела. Без этих данных обнаружение невидимых спутников звезд с помощью больших телескопов практически невозможно: ведь чем больше телескоп, тем меньшую область неба он видит одновременно, и лучшие телескопы потратили бы много лет на поиск “невидимки” в разных участках неба около звезды. Мы намерены исследовать все 2910 звезд с массивными невидимыми спутниками из Каталога “HIP” и составить первый в мире список этих удивительных объектов. Это позволит другим ученым искать невидимые массивные спутники звезд с помощью крупнейших телескопов на Земле и в космосе.