Стандартные свечи… Таинственно и завораживающе звучит это словосочетание. Но что это? Свечи для автомобиля ВАЗ 2101? Или для освещения стандартных комнат в типовых панельных многоэтажках? Или этот термин имеет какое-то медицинское значение? Да нет же, друзья мои. Это про космос. Давайте разберёмся, о чём же идёт речь.
И прежде чем начать наш сегодняшний разговор давайте вспомним, что такое световой год. Звучит это, конечно, как обозначение какой-то единицы времени. Однако это не так. На самом деле это расстояние, которое свет проходит за один земной год.
Пешеход Кирилл
Представьте, что Вас зовут Кирилл. И Вы безумно любите ходить пешком. И вот однажды, тёплым июльским утром, Вы покинули свою уютную квартиру в Рязани, включили Леди Гагу и пошли пешком во Владивосток, чтобы поесть там на рыбном рынке парного краба. Вы идёте, идёте, идёте и вот проходит ровно год. И вот они, сопки с многоэтажками, Амурский залив и праворульные японки. Так вот. Расстояние, которое Вы преодолели, можно запросто назвать один кириллический год. И смело измерять в этих единицах все что угодно (шутка).
Странно, конечно, понимать, что свет движется с определённой скоростью. Ведь когда Вы щелкаете выключателем, в комнате сразу же становится светло. А когда Вы светите фонариком, его луч сразу падает на ближайшую поверхность.
Эти примеры показывает, как безумно быстро распространяется свет. А если свету, распространяющемуся с колоссальной с нашей точки зрения скоростью, требуется 2 миллиона лет, чтобы добраться от одного объекта до другого… представьте, как далеко друг от друга находятся эти объекты?
Что ж. Не буду от вас ничего скрывать, друзья мои. Вышеописанные пример касается нашей родной галактики – Млечного Пути. И нашего ближайшего галактического соседа, галактики Андромеды. БЛИЖАЙШЕЙ к нам крупной галактики.
Но… подождите секунду. Откуда мы знаем, что галактика Андромеды находится так далеко от нас?
Да всё просто. Ещё древние греки измерили это расстояние с помощью обычной строительной рулетки (шутка).
Сейчас всё узнаем. И для начала давайте разберёмся с единицами измерения расстояний в космосе.
Один мегапарсек
При измерении расстояний между галактиками даже световые годы (какими бы безумно большими они ни были) слишком малы, чтобы их было удобно использовать.
Вот скажите – когда Вы в последний раз слышали, чтобы площадь Вашей квартиры измеряли в тысячах миллиметров? А не как это сейчас принято в России – в аршинах и саженях? Очевидно, что говорить о миллионах световых лет, разделяющих галактики, тоже не очень удобно.
Говоря о расстояниях между галактиками, астрономы используют единицу расстояния мегапарсек. То есть 1 миллион парсеков. Длина одного парсека составляет около 3,26 световых года. То есть 1 мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет.
А это в свою очередь означает, что галактика Андромеды удалена всего лишь примерно на каких-то жалких 0,89 мегапарсека от Млечного Пути. Вот.
Ну так что, с такой единицей гораздо проще работать, согласны? Да и на душе как-то легче стало. Одно дело миллионы световых лет. И совсем другое – число меньше единицы.
Хорошо. И всё же. Как, ёшкин кот, мы определили расстояние до ближайшей крупной галактики?
Если бы мы измеряли расстояние до звёзд в нашей Галактике, это было бы немного проще — можно было бы просто использовать метод параллакса.
Работает он так: по мере того, как Земля вращается вокруг Солнца, кажется, что близлежащие звезды немного меняют своё положение по сравнению с более далёкими, «фоновыми» звёздами. Проблема в том, что параллакс не очень хорош для измерения расстояний до других галактик. Поскольку они находятся слишком далеко. Некоторый параллакс конечно можно измерить. Но он едва заметен. Даже для самых близких галактик.
Однако, к счастью для астрономов, параллакс всё же не совсем бесполезен. Его можно использовать для измерения расстояний до звёздных объектов, находящихся внутри других галактик. Параллакс помогает нам узнать кое-что о подобных им, которые находятся в нашей галактике. И мы можем использовать эту информацию для определения расстояний в космосе. Немного запутано. Но сейчас разберёмся.
Речь идёт об использовании цефеид.
Цефеиды. Стандартные свечи
В 1920-х годах они помогли определить размер Млечного Пути. И всего четыре года спустя Эдвин Хаббл использовал их для измерения расстояния до Галактики Андромеды.
Цефеиды – это объекты, которые можно использовать для определения расстояния до других галактик.
Но как это происходит? Сейчас расскажу.
Цефеиды – это пульсирующие звезды-гиганты. В ядрах этих объектов закончился водород. И они потеряли стабильность. И эта нестабильность заставляет их ритмично пульсировать с переменной яркостью.
Такие звёзды очень полезны для астрономов. Потому что существует прямая зависимость между средней светимостью цефеид и периодом их пульсации. Слабо светящиеся цефеиды пульсируют намного чаще, чем более яркие.
Если Вам вдруг посчастливилось измерить период пульсации какой-нибудь цефеиды, то Вы можете легко установить её собственную яркость (абсолютную величину). А потом можно измерить яркость цефеиды, которую видит земной наблюдатель (видимая величина). Оценив расхождения в уровне яркости можно, используя закон обратных квадратов, определить расстояние до звезды.
Именно таким образом Эдвин Хаббл первым смог измерить расстояние до галактики Андромеды. И наконец-то достоверно установить, что это, на самом деле, целая галактика за пределами Млечного Пути. А не просто вихрь из газа и звёзд, находящийся внутри нашей Галактики.
Светимость большинства индикаторов расстояний известна. Поэтому астрономы часто называют их «стандартными свечами». И эти стандартные свечи совершенно бесценны при измерении расстояний до других галактик.
И не только цефеиды
Но цефеиды — не единственные стандартные свечи, которые можно использовать для измерения расстояний.
И это хорошо. Потому что в галактиках, удалённых от нас на 30 мегапарсек и далее, цефеиды слишком тусклые, чтобы их яркость можно было измерить достоверно.
И в этом случае астрономы используют шаровые скопления. Это очень полезные объекты! Мало того, что они содержат цефеиды (именно с помощью них Харлоу Шепли впервые измерил размер Млечного Пути), они также работают и как индикаторы расстояний.
Но как?
Поскольку шаровые скопления содержат цефеиды, относительно легко найти близлежащую галактику, в которой есть и цефеиды, и шаровые скопления. Цефеиды в ближайших галактиках достаточно яркие, чтобы служить индикаторами расстояния.
Когда астрономы вычисляют расстояние до такой галактики, они одновременно узнают и расстояние до шаровых скоплений в этой галактике. И могут определить абсолютную визуальную величину этих скоплений.
Самые яркие шаровые скопления имеют абсолютную визуальную звёздную величину около -10. Поэтому можно предположить, что шаровые скопления в более далёких галактиках тоже имеют абсолютную визуальную величину -10.
Это означает, что они могут работать как стандартные свечи для измерения расстояния до галактик, слишком далёких, чтобы эти расстояния можно было бы измерить с помощью цефеид!
И шаровые скопления тоже
Но и это ещё не все.
Шаровые скопления обычно имеют диаметр около 25 парсек. Предполагая, что все шаровые скопления имеют диаметр примерно 25 парсек, астрономы могут измерить их угловой диаметр. И таким образом рассчитать расстояние до очень далёкой галактики.
Однако даже шаровые скопления не могут завести нас так далеко, как нам иногда хотелось бы. И для ещё более далёких галактик нам нужно найти ещё более яркую стандартную свечу.
И это сверхновые типа Ia. Они возникают в результате коллапса белого карлика, а не предсмертной агонии массивной звезды.
Но как именно возникает сверхновая типа Ia?
Дело в том, что белый карлик не может иметь массу больше 1,4 массы Солнца. Это значение называется предел Чандрасекара. Оно получило такое имя в честь астронома, который первым вычислил его.
Если материя звезды-компаньона падает на белый карлик это продолжается до тех пор, пока масса белого карлика не превысит 1,4 массы Солнца…
Ба бах!
Сверхновая типа Ia возникает всегда, когда белый карлик превышает по массе предел Чандрасекара. Это означает, что такие сверхновые всегда будут похожи. И они всегда будут достигать примерно одного и того же пика светимости. Независимо от того, где они находятся во Вселенной.
Сверхновые типа Ia можно идентифицировать по их кривой блеска и графику светимости во времени. И их довольно легко отличить от других типов сверхновых…
Сверхновая типа Ia в Галактике Андромеды достигнет примерно такого же пика светимости, что и сверхновая типа Ia в галактике на границе наблюдаемой Вселенной.
Единственная разница между ними будет заключаться в их кажущейся светимости. И именно по этому параметру и можно найди их расстояние от Земли. Нужно сравнить эти видимые светимости с пиковой светимостью, которая, как мы знаем, у них одинакова.
Так работают все стандартные свечи.
Удобство использования сверхновых типа Ia в качестве стандартных свечей заключается в том, что не нужно калибровать измерения с помощью других индикаторов расстояния. Поскольку все сверхновые типа Ia «работают» примерно одинаково.
Единственный минус – сверхновые типа Ia довольно редки. И это плохо.
Шансы обнаружить такой объект крайне невелики.
Но есть ещё один индикатор расстояния, на который в трудную минуту можно опереться…
Это светимости галактик.
Галактики как стандартные свечи
Этот способ немного более грубый, чем другие способы. В конце концов, каждая галактика уникальна. И, как и звезды, некоторые из них больше, чем другие, некоторые меньше. Да и собственная яркость галактик различается. Вот почему в первую очередь астрономы стараются использовать другие стандартные свечи.
Но в самых дальних уголках наблюдаемой Вселенной не видно никаких стандартных свечей. Ведь это слишком далеко. На таких невообразимых просторах просто невозможно разрешить отдельные звезды. По крайней мере с помощью современных телескопов. И даже если бы сверхновые типа Ia возникали в таких дремучих дебрях, то скорее всего, мы бы их просто не заметили.
Изучая близлежащие галактики, астрономы обнаружили, что нормальная большая спиральная галактика, такая как Млечный Путь, обычно примерно в 16 миллиардов раз ярче Солнца. Предположив, что это относится ко всем спиральным галактикам одинакового размера можно применить это к скоплениям галактик.
Астрономы могут примерно оценить светимость нескольких самых ярких спиральных галактик в самом удалённом от нас скоплении. Затем, после оценки расстояния от Земли, они могут усреднить полученные значения, чтобы найти вероятную среднюю оценку.
Однако такой подход все ещё оставляет много неопределённостей. Он основан на множестве предположений и допущений. Например о том, что самые яркие спиральные галактики в любом случайном скоплении похожи на Млечный Путь.
Но другого выхода нет. Когда дело доходит до самых далёких галактик, это лучшее, что пока у нас есть…
