Звезды: их рождение, жизнь и смерть - Иосиф Шкловский

Знаменитый американский астроном-наблюдатель Бааде еще в конце тридцатых годов получил исключительно интересные фотографии Крабовидной туманности через светофильтры. На рис. 17.4 приведена фотография, полученная на 100-дюймовом телескопе обсерватории Маунт Вилсон через фильтр, пропускающий известную красную линию водорода H и близко расположенные к ней линии ионизованного азота. Эта фотография сильно отличается от фотографий, снятых в белом свете (см. рис. 17.2). Видна изумительной красоты ажурная сеть тонких волокон, охватывающих всю туманность по ее периферии. Из этой фотографии следует, что спектральные линии излучаются не всем объемом туманности, а только сетью волокон, в то время как непрерывный спектр излучается всем объемом туманности. Структура областей, излучающих только непрерывный спектр, была получена на фотографии, снятой через специальный фильтр, в пределах «полосы пропускания» которого нет сколько-нибудь интенсивных линий излучения (рис. 17.5). Эта фотография разительно отличается от приведенной на рис. 17.4. Неспециалисту может показаться, что речь идет о двух совершенно различных объектах! Структура туманности на этой фотографии выглядит гораздо более «диффузной» или «аморфной», чем на рис. 17.4. По-разному распределены и яркие детали. Таким образом, эти фотографии доказывают, что Крабовидная туманность состоит из двух отдельных частей: «ажурной» сетки тонких газовых волокон, расположенных в виде оболочки по периферии туманности, и занимающей практически весь объем «аморфной», излучающей непрерывный спектр субстанции, природа которой многие годы оставалась загадочной.

Рис. 17.4: Фотография. Крабовидной туманности через светофильтр, пропускающий линию H.

Туманность имеет форму довольно правильного эллипса, угловые размеры которого приблизительно равны 4 6. Обратим внимание, что вблизи центра этого эллипса находятся две слабые звездочки 16-й величины, расположенные на расстоянии около 5 друг от друга. Южная (на фотографии — нижняя) из этих звездочек сыграла выдающуюся роль в истории астрономии (см. § 19). Сама туманность имеет видимую звездную величину около 8m,5, т. е. она излучает в тысячу раз больше каждой из описанных выше звездочек.

В 1921 г. французский астроном Лампланд из сравнений фотографий туманности, снятых через 8 лет, нашел, что в ней наблюдаются изменения. Отдельные яркие детали аморфной массы вполне заметно переместились, но распределение яркости не остается постоянным, а как бы «дышит». В течение более 30 лет эти удивительные изменения не могли быть объяснены. Это явление изменчивости деталей — уникальное свойство Крабовидной туманности. Ни у планетарных, ни у диффузных туманностей ничего подобного не наблюдается. Из известного расстояния до «Краба» (см, дальше) и углового смещения деталей за 8 лет можно было сделать вывод, что отдельные части туманности движутся со скоростью, близкой к 0,1 скорости света — величина фантастически большая! Ввиду полной, как казалось, иррациональности этого явления астрономы просто не занимались им. Природа этих вариаций стала ясной, когда был наконец понят механизм оптического излучения Крабовидной туманности, о чем речь будет идти дальше.

Рис. 17.5: Фотография Крабовидной туманности через светофильтр, не пропускающий ярких линий излучения.

Значительно медленнее меняется расположение газовых волокон туманности. Наблюдения, разделенные промежутком времени в 30 лет, позволили установить, что вся система волокон расширяется. Она как бы «расползается» по небу с угловой скоростью около 0,23 в год. С другой стороны, угловой радиус туманности составляет около 180. Отсюда непосредственно следует, что возраст туманности, полученный в предположении, что скорость ее расширения все время оставалась постоянной, почти в точности равен 800 годам. Это, конечно, близко к возрасту, отсчитываемому от момента вспышки сверхновой (930 лет), но все же меньше его. Отсюда следует важный вывод, что движение волокон Крабовидной туманности происходит ускоренно. Только выяснение природы излучения «аморфной» массы Крабовидной туманности позволило объяснить причину ускорения ее волокон (см. ниже).

Перейдем теперь к анализу спектральных наблюдений «Краба». Найденное еще Слайфером раздвоение линий излучения в спектре Крабовидной туманности было подтверждено дальнейшими исследованиями. На рис. 17.3 приведен спектр при ориентации щели спектрографа вдоль большой оси туманности. Хорошо видно, что яркие линии излучения в центре туманности раздвоены, в то время как на краях туманности раздвоения линий нет. Линии имеют как бы «клочковатый» вид, что объясняется волокнистой структурой излучающих эти линии областей туманности. Своеобразная «дуговая» форма раздвоенных линий со всей наглядностью доказывает, что причиной раздвоения является расширение системы излучающих эти линии газовых волокон. В центральной области диска туманности волокна при своем расширении движутся на нас и от нас. Первые, из-за эффекта Доплера, будут излучать линии, смещенные к фиолетовому краю спектра, вторые — к красному. Напротив, на краях туманности направление движения волокон почти перпендикулярно к лучу зрения. Поэтому значительного смещения длин волн наблюдаться не будет. Из измерения расстояния между компонентами раздвоенных линий можно получить скорость расширения системы волокон, которая в среднем около 1200 км/с. Зная угловую скорость «расплывания» волокон в плоскости, перпендикулярной к лучу зрения (0,23 в год) и линейную скорость расширения, можно определить расстояние до Крабовидной туманности, которое, с учетом ее эллипсоидальной формы, оказывается близким к 1700 пс. Это значение хорошо согласуется с оценкой видимой величины «звезды-гостьи» 1054 г. С учетом поглощения света получается, что абсолютная величина этой звезды в максимуме была около -18m, что близко к абсолютной величине сверхновых.

По измеренным лучевым скоростям волокон и их «собственным движениям» на небесной сфере можно построить грубую пространственную модель Крабовидной туманности, приведенную на рис. 17.6. Причудливо переплетающаяся сеть газовых волокон этой туманности как бы «окаймляет» аморфную массу, находясь на ее периферии. Анализ относительных интенсивностей спектральных линий излучения и их ширин позволяет понять картину физических условий в газовых волокнах. Оказывается, что для отдельных волокон электронная концентрация меняется в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч на кубический сантиметр, в то время как температура газа близка к 20 000 К. Химический состав волокон, насколько это можно судить по их спектрам, отличается от состава других газовых туманностей довольно значительно. Имеются все основания полагать, что в «Крабе» относительное обилие гелия выше приблизительно в пять раз, причем для разных волокон оно меняется. Полная масса газа, находящегося в волокнах Крабовидной туманности, близка к массе Солнца.

Рис. 17.6: Пространственная модель волокон Крабовидной туманности.

Прежде чем перейти к анализу основной компоненты оптического излучения Крабовидной туманности с непрерывным спектром, мы должны остановиться на ее радиоизлучении. Радиоизлучение Крабовидной туманности было обнаружено в Австралии в 1949 г. Болтоном. Несомненно, что это открытие было важной вехой на пути понимания природы Крабовидной туманности. Уже первые наблюдения позволили установить существенное различие между радиоспектрами Крабовидной туманности и других известных тогда радиоисточников. Первый оказался гораздо более «пологим», чем вторые. Спектральный индекс радиоизлучения Крабовидной туманности оказался аномально малым, всего лишь 0,28. Это означает, что уменьшение потока радиоизлучения при повышении частоты происходит гораздо медленнее, чем у других источников. Так например, если на волне 3 м поток от Кассиопеи А в десять раз больше, чем от Крабовидной туманности, то на сантиметровом диапазоне ситуация уже становится обратной. Угловые размеры Крабовидной туманности в радиодиапазоне практически такие же, как и в оптическом. Следует еще подчеркнуть одно важное обстоятельство. Как мы видели в предыдущем параграфе, радиоисточники, связанные со «старыми» остатками вспышек сверхновых, имеют «оболочечную» структуру, т. е. у них радиоизлучающие области расположены на периферии. Ничего подобного в распределении радиоизлучения Крабовидной туманности не наблюдается. Источники радиоизлучения в этом случае заполняют весь объем туманности, концентрируясь к ее центру.