В спиральных галактиках звезды, находящиеся в диске, обращаются вокруг общего центра масс. Движение этих звезд, а в общем случае не только звезд, но и пыли и газа, точно так же как и движение планет в Солнечной системе, определяется законом всемирного тяготения. Действительно, на стабильной орбите сила тяготения равна центробежной силе:
GMrm/r2 = mVr2/r,
где Mr — масса, заключенная в пределах от 0 до r, Vr — орбитальная скорость массы m. Если масса сосредоточена в центре, то изменение скорости происходит по закону 1/√r, то есть по хорошо известному закону Кеплера.
Обычно в галактиках максимум яркости приходится на центр, а к периферии яркость быстро падает. Долгие годы астрономы полагали, что яркость пропорциональна массе, и поэтому масса, как и яркость, также уменьшается с расстоянием от центра Галактики. В этом случае вполне естественно было ожидать, что орбитальные скорости звезд должны меняться по закону Кеплера, другими словами, уменьшаться с увеличением расстояния от центра Галактики.
В последнее время выполнены тщательные наблюдения вращающихся дисков многих спиральных галактик. Эти наблюдения принесли поистине сенсационные результаты. Оказалось, что в удаленных от центра галактик районах скорость вращения не уменьшается по мере увеличения радиуса. Более того, в ряде случаев она увеличивается. Не нашлось буквально ни одной сколь-либо протяженной области внутри изученных галактик, в которой скорость вращения уменьшалась бы с увеличением расстояния от центра. Но, поскольку закон всемирного тяготения незыблем, этот факт может означать лишь одно: масса в отличие от яркости отнюдь не концентрируется к центру спиральных галактик.
И это еще не все. В галактиках есть невидимая масса, корректирующая скорости орбитальных движений. По всей видимости, спиральные галактики окружены мощной сферической короной невидимого вещества, причем размеры этой короны простираются далеко за пределы видимого диска галактик. Судя по всему, именно существование этого невидимого вещества и его гравитационное притяжение препятствуют уменьшению скорости вращения с увеличением расстояния от центра.
Косвенные указания на присутствие в нашей Галактике значительной невидимой массы были замечены около тридцати лет назад знаменитым голландским астрономом Я. Оортом, в честь которого назван кометный резервуар, находящийся на расстоянии более ста тысяч астрономических единиц от Солнца (знаменитое облако Оорта). Оорт оценил массу звезд и газа, которая требуется для стабилизации звезд, сферической составляющей нашей Галактики — «гало».
Сейчас, после недавних измерений кривой вращения многих спиральных галактик, оказалось, что наличие в них большой невидимой массы — повсеместное явление в космосе. Массивная корона невидимой материи может распространяться в некоторых случаях на величину до трех радиусов диска. Если включить (а это совершенно необходимо) корону в картину общей морфологии нашей Галактики, то окажется, что наше Солнце и, соответственно, Солнечная система расположены отнюдь не на периферии Галактики, как считалось совсем недавно.
Но это не самый важный вывод из наблюдений. Самое главное в том, что невидимая масса вполне может остановить расширение Вселенной. Мы помним, что значение критической плотности во Вселенной, то есть такой плотности, при которой Вселенная становится замкнутой и ее расширение рано или поздно сменится сжатием, составляет ρкр ≈ 10–29 г/см3. Для достижения ρкр плотность невидимого, ненаблюдаемого вещества должна примерно в 70 раз превышать плотность светящейся материи. Когда астрономы начали подсчитывать значение невидимой массы, оказалось, что оно может в некоторых случаях при переходе к все большим и большим системам, достигать значений, близких к критическим.
Конечно же, следует учитывать то обстоятельство, что здесь степень нашего незнания определяется отсутствием информации о том, какая доля массы спиральных галактик недоступна сейчас для наблюдений. Вопрос о том, что представляет собой эта невидимая масса, также нельзя считать решенным. Ненаблюдаемая материя может быть представлена несостоявшимися звездами — гигантскими планетами типа Юпитера, а может быть, блуждающими планетами еще большей, чем Юпитер, массы. Быть может, это черные дыры. Наиболее «удобный» на сегодня кандидат — нейтрино, обладающие массой покоя, или гипотетические тяжелые частицы — монополи, фотино, гравитино. Многие из этих экзотических частиц могли в принципе дожить со времени начала Большого Взрыва и до наших дней (в том случае, конечно, если они устойчивы). Итак, мы видим, что кропотливое и тщательное изучение галактик дает материал исключительной важности для решения глобальных проблем космологии.
Галактики задают вопросы
При исследовании галактик всегда возникает великое множество самых различных загадок. Возьмем, к примеру, Большое Магелланово Облако. Расположенное далеко на южном небе, недоступное для телескопов северного полушария, оно давно привлекает внимание наблюдателей-астрономов. Магеллановы Облака были впервые описаны во время первого кругосветного путешествия. Это самые близкие к нам галактики, с обильным и широким составом объектов. Интересно, что в некоторых случаях наблюдения удобнее проводить не в нашей Галактике, а в Магеллановых Облаках, поскольку наблюдениям, производящимся в направлении главной плоскости Галактики, мешает расположенная там темная пылевая материя. В то же время направления на Большое и Малое Магеллановы Облака составляют углы 33° и 45° с плоскостью Галактики. Следовательно, поглощение света пылевой материей не мешает наблюдениям.
Огромным «преимуществом» звезд Магеллановых Облаков по сравнению со звездами нашей Галактики является то, что, поскольку размеры Облаков малы по сравнению с расстояниями до них, все звезды Облаков можно считать расположенными на одном и том же расстоянии до нас. Именно это важное обстоятельство дало возможность в 1910 году разработать метод определения расстояний по изменению блеска цефеид.
В Большом Магеллановом Облаке очень много ярких молодых звезд. Там находится около 5 тысяч голубых сверхгигантов, каждый из которых светит ярче, чем 10 тысяч солнц. Но самый интересный объект находится в Большом Магеллановом Облаке, в созвездии Золотой Рыбы. В этом созвездии есть туманность Тарантул, а в ней объект R 136, который уже многие годы будоражит воображение астрономов и астрофизиков. Этот объект расположен около центра туманности. В видимой части спектра он светит в миллион раз сильнее, чем Солнце, а в ультрафиолете и того больше — в 50 миллионов раз. Если бы на месте самой близкой к нам звезды — проксима Центавра находился этот объект, он светил бы ярче, чем несколько лун.
В 1980 году удалось установить, что R 136 состоит из трех компонентов, и самый яркий из них был назван R 136а. Можно предположить, что R 136а — самая массивная из известных на сегодняшний день видимых звезд. Температура ее «поверхности» заключена в пределах 45 тысяч — 80 тысяч K. (Напомним, что «температура» поверхности нашего Солнца всего 6000 K.) Но это еще не все. Этот объект непрерывно теряет массу в результате истечения из него газа. Это так называемый звездный ветер. Но для объекта R 136а это уже не ветер — это звездный ураган: вещество удаляется от объекта со скоростью 3500 км/сек.
В 1983 году удалось выяснить, что R 136а состоит по крайней мере из четырех звездообразных объектов. Доминирующий объект был назван R 136а1. И здесь возник следующий очень важный вопрос: является ли R 136а1 одиночной звездой или же это скопление очень ярких звезд? Дело в том, что по астрономическим масштабам диаметр этого компонента совсем невелик — всего 24 световых дня (ближайшая к Солнцу звезда находится на расстоянии около 4 световых лет). Если это коллектив звезд, то тогда в сравнительно небольшой объем нужно затолкать около двух десятков массивных ярких звезд. Таких примеров мы не знаем.
