Читать книгу Белые карлики. Будущее Вселенной - Алексей Левин - Страница 7

Открытием первого белого карлика, как и открытием Урана, наука обязана Уильяму Гершелю. 31 января 1783 г. он наблюдал в свой телескоп звезду четвертой величины в южном созвездии Эридана. Эта звезда, удаленная – как мы теперь знаем – на 16,5 световых лет от Солнца, была известна под несколькими именами. В начале XVIII в. первый Королевский астроном Британии и основатель Гринвичской обсерватории Джон Флемстид включил ее в свой каталог под именем 40 Эридана (кстати, именно он ввел в астрономическую практику присвоение звездам индивидуальных номеров в каждом созвездии). Гершель заметил, что 40 Эридана имеет в качестве спутника гравитационно связанную звездную пару, то есть является частью тройной звездной системы. Эта пара состояла из совсем слабой красноватой звезды 40 Эридана С и чуть менее тусклого партнера 40 Эридана В, светящегося белым светом. Гершель внес ее в свой каталог двойных звезд, опубликованный в 1785 г. Позднее эти звезды не раз наблюдали и другие астрономы, однако считали их вполне рядовыми (за исключением того, что они были частью тройной системы) и особого внимания не уделяли. 40 Эридана В как раз и стала первым открытым белым карликом.

Следующий шаг сделал замечательный немецкий астроном и математик, основатель Кёнигсбергской обсерватории Фридрих Вильгельм Бессель (кстати, двойной тезка Гершеля). В 1844 г. он заметил слабые аномалии движения двух ярких звезд – α Большого Пса, Сириуса, и α Малого Пса, Проциона. Надо сказать, что это потребовало гигантских усилий. Бессель сравнил данные о видимом движении нескольких опорных звезд, собранные в течение 90 лет наблюдателями из Западной и Восточной Европы (в том числе и из России) и из Кейптауна. Ему удалось выявить очень малые (порядка нескольких угловых секунд) отклонения собственного движения Сириуса и Проциона от ожидаемой прямой линии на небесной сфере. Бессель предположил, что обе звезды входят в двойные системы, а эти отклонения объясняются притяжением их еще не открытых спутников.

Догадка оказалась верной, но Бесселю об этом узнать не довелось – два года спустя он умер от рака. В 1851 г. его преемник на посту директора Кёнигсбергской обсерватории Кристиан Август Фридрих Петерс показал, что пока еще невидимый спутник Сириуса обращается по сильно вытянутой эллиптической орбите с 50-летним периодом, что хорошо совпадает с современными данными.

Первыми спутник Сириуса наблюдали владелец небольшой бостонской оптической фирмы Элвин Кларк и его сын и тезка, Элвин Грэм Кларк-младший. Произошло это случайно. Ясным вечером 31 января 1862 г. они проверяли качество линз для телескопа-рефрактора, заказанного двумя годами ранее Университетом Миссисипи, но не оплаченного и не поставленного из-за начавшейся Гражданской войны. Поскольку труба телескопа не была готова, линзы смонтировали на временной раме, подвешенной к вращающейся стреле. Кларк-младший направил сборку на Сириус и буквально через несколько секунд заметил вблизи него очень тусклую светящуюся точку. Это и был предсказанный Бесселем спутник самой яркой звезды земного небосвода, о чем Кларки тогда не знали. Вскоре директор обсерватории Гарвардского колледжа Джордж Бонд сообщил об их открытии в American Journal of Science, особо отметив, что замеченное Кларками небесное тело может оказаться именно тем спутником Сириуса, о котором писали Бессель и Петерс. Когда этот номер журнала был доставлен в Европу, другие астрономы быстро подтвердили наблюдения Кларков. В том же году Французская академия наук присудила Кларку-старшему свою высшую ежегодную награду за астрономические исследования – Лаландовскую премию. А после того, как фирма Кларка в 1880-е гг. блестяще выполнила заказ Пулковской обсерватории на изготовление 76-см объектива для нового телескопа, он получил золотую медаль от Александра III. В общем, бостонский оптик-самоучка не посрамил памяти своего пращура Томаса Кларка, одного из пассажиров знаменитого «Мэйфлауэра».

Но вернемся к спутнику Сириуса. В первое время его часто называли Sirius comes (в переводе с латыни – компаньон Сириуса). В конце концов, в соответствии с традицией, он получил имя Сириус B, а к названию Сириуса добавили букву А. Эти названия сохраняются и поныне.

Даже простые телескопические наблюдения Сириуса В вскоре после его открытия показали, что по видимой яркости он в тысячи раз уступает своему сверкающему собрату. Уже в 1864 г. директор Пулковской обсерватории Отто Струве (именно он через 15 лет посетил Кларка в Бостоне и заказал линзы для будущего телескопа) приписал Сириусу В восьмую звездную величину, что почти совпадает с современным значением 8,44. Отсюда следовало, что Сириус А примерно в 10 000 раз ярче своего компаньона. Само по себе это было весьма необычно. К тому времени стали известны сотни двойных звездных систем, но подобных различий в яркости астрономы не наблюдали.

К концу XIX в. ситуация стала еще парадоксальней. В 1866 г. Струве показал, что Сириус А вдвое массивней Сириуса В (современное значение – в 2,03 раза). Получалось, что массы звезд различаются вдвое, а светимости – на четыре порядка. Это была еще одна загадка спутника Сириуса. Струве вполне осознал важность своего результата и фактически пришел к выводу, что по своей природе Сириус В радикально отличен от Сириуса А. Правда, тогдашние астрономы практически игнорировали это заключение – скорее всего, просто не поняли его смысл. Насколько велико различие между двумя Сириусами, стало ясно лишь через 60 лет.

Тем не менее одно объяснение появилось намного раньше. Его предложил Джон Эллард Гор, ирландский инженер-строитель и астроном-любитель, автор нескольких популярных книг по астрономии, которые в викторианские времена пользовались немалой известностью. Проработав в Индии по специальности 11 лет и вернувшись на родину, он вполне благополучно жил на честно заработанную пенсию и публиковал статьи о своих наблюдениях двойных и переменных звезд.

В 1891 г. Гор самостоятельно измерил яркость обоих Сириусов и пришел к выводу, что Сириус А по блеску в 5000 раз превосходит Сириус В (о более точном результате Струве он, скорее всего, не знал). В те времена некоторые астрономы полагали, что Сириус В – просто планета, светящая отраженным светом. Эта идея была удобна тем, что вполне правдоподобно объясняла слабость его блеска и не требовала привлечения никаких экзотических гипотез. Однако Гор на основе своих телескопических наблюдений пришел к выводу, что Сириус В светит собственным светом и потому должен считаться звездой, хотя и очень тусклой. В духе астрономических концепций того времени он предположил, что Сириус В – крупное небесное тело (примерно того же размера, что и Сириус А), которое некогда было очень горячим, но с течением времени остыло и потемнело.

В самом конце XIX в. дошла очередь и до Проциона. В 1896 г. директор Ликской обсерватории Джон Шеберле обнаружил у него слабосветящийся спутник, предсказанный Бесселем. Это позволяло предположить, что существуют и другие звезды с вполне рядовыми массами и аномально малой абсолютной светимостью.

Правда, такая ситуация не вызывала чрезмерных подозрений. В рамках тогдашних скромных знаний о происхождении звезд можно было предположить, что Сириус и Процион каким-то образом обзавелись массивными, но сравнительно холодными спутниками. Это казалось тем более вероятным, что звезду 40 Эридана В с массой в 0,4 массы Солнца считали просто небольшим холодным светилом, сходным с 40 Эридана С. Однако в 1910 г. ситуация кардинально изменилась. В обсерватории Гарвардского колледжа с 1880-х гг. работала группа замечательных женщин, числившихся техническими помощниками астрономов. Официально их должности назывались очень современно – computers. Директор обсерватории Эдвард Пикеринг поручил одной из них, Вильямине Флеминг, заняться классификацией фотографий звездных спектров. Не имея астрономического образования, она, не мудрствуя лукаво, объединила яркие голубые звезды в одну группу, присвоив ей букву А (туда вошел и Сириус). Звезды чуть меньшей яркости составили группу B – и так далее вниз по латинскому алфавиту. Звезды со спектрами солнечного типа получили индекс G, а самые тусклые красные светила – М. Позднее ее коллега Энни Джамп Кэннон видоизменила и расширила эту систему. Она ввела спектральные классы O, B, A, F, G, K, M (так что в ее системе звезды класса В оказались ярче звезд класса А!) и разделила каждый на десять подклассов, занумерованных от нуля до девяти. Солнце в этой системе было причислено к спектральному классу G2, где пребывает и поныне.

На рубеже XIX и XX вв. астрономы уже достаточно знали о спектрах ионизированных газов, чтобы понять, что движение вдоль этого ряда от начала к концу указывает на прогрессирующее снижение температуры звездных атмосфер. Так что группу О составили самые горячие звезды, группу М – самые холодные. К слову, в первую группу вошли очень яркие голубые звезды из созвездия Ориона – отсюда и буква О. В каждом классе подкласс с индексом 0 состоит из самых горячих звезд, а с индексом 9 – из самых холодных. Эта классификационная система, так и названная гарвардской, после ряда модификаций была утверждена на Пятой конференции Международного союза по сотрудничеству в исследованиях Солнца, которая летом 1913 г. состоялась в Бонне. Постановление конференции и предшествовавшие ему дискуссии фактически стали началом организационного оформления звездной астрофизики в качестве самостоятельной ветви науки о космосе.

Но это только присказка – сказка впереди. В 1910 г. профессор астрономии Принстонского университета Генри Норрис Расселл во время визита в Гарвард попросил Пикеринга проверить спектры звезды 40 Эридана В. Вильямина Флеминг, которой поручили эту работу, уже через час сообщила, что звезда вне всякого сомнения принадлежит классу А. Из этого следовало, что ее температура сравнима с температурой Сириуса (сейчас известно, что она в два с половиной раза выше – 25 200 кельвинов против 10 000 кельвинов). Как вспоминал Расселл почти через три десятилетия, он сразу понял, что такой результат никак не укладывался в закономерности звездной статистики, о чем тут же сказал Пикерингу. Улыбнувшись, тот ответил, что именно такие исключения из правил и приводят к прогрессу научного знания. Директор Гарвардской обсерватории как в воду глядел, но его прогноз оправдался лишь спустя много лет. Однако уже в 1914 г. заключение Вильямины Флеминг убедительно подтвердил Уолтер Адамс, сотрудник (и будущий директор) калифорнийской обсерватории Маунт-Вилсон.

Странная звезда 40 Эридана В недолго сохраняла свой уникальный статус. Уже в 1915 г. Адамс отнес Сириус B к одному спектральному классу с Сириусом А. Этот вывод он сделал на основе почти двухлетних очень трудоемких наблюдений на 152-см телескопе. Их пришлось проводить с исключительной осторожностью, чтобы не допустить «засорения» спектрограмм Сириуса В светом его сверхъяркого соседа. Однако игра стоила свеч. Адамс однозначно заключил, что обе звезды необходимо отнести к одному и тому же спектральному классу А0.

В ретроспективе мы понимаем, что результат Адамса был открытием первого ранга. Неслучайно американский астроном голландского происхождения и один из крупнейших исследователей белых карликов Виллем Люйтен, о котором еще пойдет речь, в 1956 г. назвал его сногсшибательным. Почему – вполне понятно. Коль скоро две звезды равноудалены от Земли, примерно одинаково нагреты и в 10 000 раз отличаются по светимости, в той же пропорции должны разниться и площади их поверхностей. Отсюда следует, что радиус Сириуса В в 100 раз меньше радиуса Сириуса А, а средняя плотность его вещества приблизительно в 1 млн (100 в третьей степени) раз больше! Получалось, что Сириус В (а по аналогии и 40 Эридана В) следует причислить к еще не известному семейству сверхплотных звезд очень малых размеров. Сегодня эта логическая цепочка кажется не просто естественной, но единственно возможной. Однако двухстраничная заметка Адамса[2] практически не вызвала резонанса в астрономической среде. По молчаливому согласию было признано, что как 40 Эридана В, так и Сириус В следует считать причудами природы, не требующими пересмотра представлений о свойствах звезд.

В той же обсерватории Маунт-Вилсон был обнаружен и третий по счету белый карлик. Честь его открытия принадлежит голландскому астроному Адриану ван Маанену, который работал там с 1912 г. Как часто бывает, ван Маанену помогло элементарное везение. В 1917 г. он заметил на двух фотопластинках из архива обсерватории очень тусклую звезду в созвездии Рыб, которая ежегодно смещалась на небосводе более чем на три дуговые секунды. Это свидетельствовало о ее близости к Солнцу (как позднее выяснилось, расстояние до звезды составляет всего лишь 14 световых лет), что не очень сочеталось с малой видимой яркостью. Поэтому ван Маанен решил изучить спектр этого светила. 24 октября 1917 г. он получил спектрограмму с помощью небольшого спектроскопа, установленного все на том же 152-см рефлекторе. Из нее следовало, что спектр следует отнести к подклассу F0, так что звезда оказалась лишь немногим холоднее звезд класса А. Если бы она была типичной звездой, ее яркость была бы неизмеримо больше наблюдаемой. Через шесть лет ей присвоили имя первооткрывателя, и она стала звездой ван Маанена. В отличие от двух предшественников она не имеет компаньонов в виде обычных звезд, так что это первый по времени открытия одиночный белый карлик.

Сириус В, 40 Эридана В и звезда ван Маанена находятся в радиусе пяти парсек от Солнца и потому обладают значительными собственными движениями – то есть смещаются на небесной сфере относительно более далеких и потому по видимости неподвижных светил. В 1923 г. Виллем Люйтен опубликовал каталог таких «путешествующих» звезд, включив туда и эту троицу. Ввиду очевидного сходства он придумал им имя – белые карлики. После того как этот термин годом спустя принял и использовал знаменитый Кембриджский астрофизик Артур Стэнли Эддингтон, он стал общепринятым (а тройку 40 Эридана В, Сириус В и звезда ван Маанена стали называть классическими белыми карликами). Стоит отметить, что Люйтен всю свою долгую жизнь (он умер в 1994 г.) занимался измерением звездных смещений и определил их для нескольких сотен тысяч звезд.

Уолтер Адамс через десять лет после публикации работы о Сириусе В вновь приложил руку к его исследованию. Годом ранее Эддингтон на основе ОТО показал, что спектральные линии звезды такой массы и радиуса должны быть сдвинуты в сторону большей длины волны (так называемое гравитационное красное смещение) приблизительно на 0,3 ангстрема. В обсерватории Маунт-Вилсон тогда уже действовал крупнейший в мире 254-см телескоп имени Хукера. С помощью этого уникального инструмента Адамс показал, что красное смещение спектров Сириуса В практически соответствует предсказанию Эддингтона. Это стало не только еще одним подтверждением великой теории Эйнштейна, но и дополнительной демонстрацией аномально высокой плотности вещества белых карликов.