То, что вездесущий хаос играет роль в формировании спиралей в спиральных галактиках с перемычками, подтверждается и другими данными. К примеру, в таких галактиках часто встречаются звездные кольца очень правильной формы, часто парные, перекрывающиеся между собой. Идея опять же в том, что в таких галактиках вездесущий хаос выстраивает многие звезды вдоль нестабильных трубок точек Лагранжа L1 и L2 на концах перемычки. На этот раз мы рассматриваем также и стабильные трубки, вдоль которых звезды возвращаются к воротам и обратно в центральную часть. Эти трубки тоже обладают «эффектом прилипания».
В верхнем ряду на рисунке выше показаны четыре типичных примера галактик с кольцами. Во втором ряду вы можете видеть схематические рисунки, подчеркивающие спиральные и кольцеобразные структуры в них. В третьем ряду представлены аналогичные примеры, полученные при помощи математической модели. В четвертом ряду эти же примеры показаны во фронтальной проекции, а не под углом.
* * *С помощью спектроскопа[67] можно было оценить, насколько быстро движутся звезды в той или иной галактике. Проведя такую оценку, астрономы получили чрезвычайно загадочный результат. Современное решение этой загадки я оставлю до главы 14, а пока просто расскажу, что получилось.
Астрономы измеряют, насколько быстро вращаются галактики, при помощи эффекта Доплера. Суть этого эффекта такова: если свет какой-то определенной длины волны излучается движущимся источником, то его длина волны изменяется в соответствии со скоростью источника. Такой же эффект наблюдается у звуковых волн; классический пример — то, как меняется звук сирены автомобиля скорой помощи после того, как сам автомобиль проедет мимо. Физик Кристиан Доплер проанализировал этот эффект на основе ньютоновой физики в 1842 году в работе о двойных звездах. Релятивистская версия предсказывает тот же базовый результат, но с количественными отличиями. Конечно, свет содержит в себе множество длин волн, но спектроскопия позволяет запечатлеть конкретные длины волн в виде темных линий в спектре. Если источник света движется, все эти линии сдвигаются в одну сторону, и по величине сдвига несложно рассчитать скорость источника.
В случае галактик для этой цели обычно используется альфа-линия водорода Hα. Для неподвижного источника она располагается в темно-красной зоне видимого спектра, а возникает при переходе электрона в атоме с третьего снизу энергетического уровня на второй снизу. Водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной, так что его альфа-линия, как правило, хорошо видна.
Можно даже — для не слишком далеких галактик — последовательно измерить скорость вращения на разных расстояниях от центра галактики. Эти измерения позволяют определить кривую вращения галактики, и оказывается, что скорость вращения зависит только от расстояния до центра. С хорошим приближением галактика ведет себя как серия концентрических колец, каждое из которых вращается жестко, но со скоростью, которая может различаться от кольца к кольцу. Это напоминает предложенную Лапласом модель колец Сатурна (глава 6).
В этой модели законы Ньютона позволяют вывести ключевую математическую закономерность: формулу, которая связывает скорость вращения на заданном радиусе и суммарную массу внутри этого радиуса. (Звезды движутся настолько медленно по сравнению со скоростью света, что в релятивистских поправках, по общему мнению, нет необходимости.) Согласно этой формуле, полная масса галактики в пределах от центра до заданного радиуса равняется этому радиусу, умноженному на квадрат скорости обращения звезд на этом расстоянии и деленному на гравитационную постоянную[68]. Эту формулу можно переписать так, чтобы она выражала скорость обращения звезд в галактике на заданном расстоянии от центра: она равна корню квадратному из полной массы внутри этого радиуса, умноженной на гравитационную постоянную и деленной на радиус. Эта формула в любом варианте называется уравнением Кеплера для кривой вращения, поскольку ее можно вывести также непосредственно из законов Кеплера.
Распределение массы трудно измерить непосредственно, но в одном аспекте предсказание никак не зависит от подобных соображений: речь идет о поведении кривой вращения на достаточно больших радиусах. С приближением радиуса к наблюдаемому радиусу галактики полная ее масса внутри этого радиуса становится почти константой и равной полной массе галактики. Поэтому при достаточно большом радиусе скорость обращения обратно пропорциональна квадратному корню из радиуса. Рисунок слева представляет собой график этой формулы, значение которой с ростом радиуса спадает до нуля.
Для сравнения: справа приведены наблюдаемые кривые вращения для шести галактик, в том числе нашей. Вместо того чтобы спадать до нуля, скорость обращения звезд растет с расстоянием от центра, а затем остается примерно постоянной.
Упс!
13. Чужие миры
Инопланетные астрономы могли бы рассматривать Землю более четырех миллиардов лет и не поймать отсюда никаких радиосигналов, несмотря на то что наш мир образцово пригоден для жизни.
Сет Шостак. «Миры клингонов»Писатели-фантасты давно и прочно убеждены, что Вселенная буквально усыпана планетами. Прежде эта вера мотивировалась в основном сюжетными требованиями: планеты были необходимы как места, где разворачивались увлекательные истории. Однако с научной точки зрения это предположение всегда представлялось оправданным. Учитывая количество всевозможного космического мусора всех форм и размеров, болтающегося по Вселенной, логично предположить, что и в планетах в ней недостатка тоже нет.
Давным-давно, еще в XVI веке, Джордано Бруно объявил во всеуслышание, что звезды — это далекие солнца с собственными планетами, возможно, даже населенными. Он стал бельмом на глазу католической церкви и в конце концов был сожжен как еретик. В конце своих «Начал» Ньютон
