Как выглядит Млечный Путь изнутри

Полосу света, пересекающую ночное небо, замечали задолго до телескопов, но понять, что она собой представляет на самом деле, оказалось куда сложнее, чем её увидеть. Мы разбираемся, как астрономы шаг за шагом восстанавливали форму галактики, внутри которой сами находятся, и почему сделать это оказалось почти так же трудно, как нарисовать план комнаты, не выходя из неё.

Свет от миллиардов тусклых звёзд

Древние греки называли эту полосу «молочным кругом», римляне — Млечным Путём. Оба названия описывали то, что видел любой наблюдатель: размытую светящуюся дугу, тянущуюся через всё небо. В 1610 году Галилео Галилей направил на неё один из первых телескопов и обнаружил, что свечение складывается не из тумана и не из облака газа, а из огромного количества слабых звёзд, слишком тусклых и далёких, чтобы различить их по отдельности невооружённым глазом.

Дальше начались вопросы, на которые ответить было куда труднее.

Проблема взгляда изнутри

Разглядеть форму галактики, находясь внутри неё, — задача сравнимая с попыткой понять планировку здания, не выходя из одной его комнаты. Ранние телескопы улавливали только видимый свет и имели ограниченное увеличение. К этому добавлялась космическая пыль, застилающая диск галактики, — из-за неё казалось, что Млечный Путь включает вообще все звёзды, видимые на небе.

Только в XX веке новые телескопы позволили заглянуть сквозь эту пылевую завесу и установить, что перед нами не бесформенное скопление светил, а галактика со спиральной структурой, причём Солнце находится далеко не в её центре.

Гершель считает звёзды

В конце XVIII века британский астроном Уильям Гершель предложил простой способ проверить форму галактики: если она представляет собой сферу, звёзды должны распределяться равномерно во всех направлениях. Вместе с сестрой Кэролайн он пересчитал звёзды более чем в 600 участках неба.

Оказалось, что в направлении полосы Млечного Пути звёзд заметно больше, чем выше или ниже неё. Гершель заключил, что галактика имеет форму диска, а поскольку количество звёзд вдоль этого диска было примерно одинаковым во всех направлениях, предположил, что Солнце находится где-то рядом с его центром.

Спустя более чем век голландский астроном Якобус Кэптейн уточнил эти расчёты методом параллакса, сравнивая видимое смещение близких и далёких звёзд. По его оценке, диск галактики составлял около 20 килопарсек — то есть примерно 65 200 световых лет — в поперечнике, а Солнце по-прежнему оставалось где-то у центра.

Шаровые скопления указывают в другую сторону

Коллега Кэптейна Харлоу Шепли обратил внимание на необычное распределение шаровых скоплений — плотных сгустков звёзд, разбросанных по небу. В самой полосе Млечного Пути их находили редко, зато выше и ниже неё — в изобилии.

Шепли определил расстояния до скоплений с помощью переменных звёзд внутри них и обнаружил, что скопления образуют сферическое облако, сосредоточенное около созвездия Стрельца. Отсюда следовал неожиданный вывод: центр галактики находится не рядом с Солнцем, а в стороне созвездия Стрельца, и весь диск может достигать порядка 100 килопарсек в диаметре.

Шепли участвовал и в другом споре — о природе спиральных туманностей, тусклых пятен света, разбросанных по небу. Он настаивал, что это газовые облака внутри самого Млечного Пути, который, по его мнению, и составляет практически всю известную Вселенную. Хибер Кёртис возражал: туманности представляют собой отдельные «звёздные острова» — самостоятельные галактики далеко за пределами нашей. Точку в споре поставил Эдвин Хаббл, измеривший расстояния по цефеидам в одной из туманностей и доказавший, что она находится далеко за пределами Млечного Пути.

Пыль, которая занижала расстояния

В 1930-х годах астроном Р. Дж. Трамплер заметил, что прежние оценки размеров галактики, включая расчёты Кэптейна, опирались только на видимый свет. Пыль в плоскости диска поглощала этот свет, из-за чего далёкие звёзды и скопления казались тусклее, чем были на самом деле, — а значит, и расстояния до них занижались.

Чтобы точно картировать диск, нужен был способ смотреть сквозь пыль, а не полагаться на глаз или обычную фотопластинку.

Список крупных открытий в самой галактике продолжает пополняться — о некоторых из самых неожиданных находок последних лет можно почитать в подборке 10 интересных открытий в Млечном Пути.

Радиоволны сквозь пылевую завесу

В 1950-х годах появились первые радиотелескопы. Выяснилось, что атомы водорода излучают в радиодиапазоне, и эти волны свободно проходят сквозь пыль, непрозрачную для видимого света. Так стало возможным построить карту спиральных рукавов галактики.

Для этого использовали звёзды классов O и B — очень яркие, горячие и живущие всего около 100 миллионов лет. За такой короткий срок они не успевают далеко уйти от места своего рождения, поэтому их положение хорошо показывает, где именно закручиваются рукава. Скорость движения этих звёзд определяли по доплеровскому смещению их спектра: если линии спектра сдвинуты к синему краю, звезда приближается, если к красному — удаляется.

Совмещая радио- и оптические наблюдения множества таких звёзд, астрономы получили карту рукавов, каждый из которых назвали по созвездиям, через которые он проходит. Предполагается, что движение вещества вокруг центра галактики создаёт волны плотности — что-то похожее на узор, который остаётся в тесте, если его перемешивать миксером, — и именно эти волны формируют спиральный рисунок.

Из чего состоит диск, скопления и гало

Согласно классификации Хаббла, Млечный Путь — спиральная галактика, хотя более поздние данные указывают, что она, вероятно, пересечённая, с перемычкой в центре. В ней насчитывается несколько сотен миллиардов отдельных звёзд, диаметр диска составляет около 100 000 световых лет, а Солнце удалено от центра примерно на 28 000 световых лет.

Диск делится на три области: ядро в центре, окружающий его балдж, слегка выступающий выше и ниже плоскости диска, и спиральные рукава, расходящиеся наружу. Солнечная система находится в одном из них — рукаве Ориона. Помимо него выделяют рукава Персея, Стрельца и Щита-Центавра.

Несколько сотен шаровых скоплений разбросаны выше и ниже диска и обращаются вокруг центра галактики по вытянутым, беспорядочно ориентированным орбитам. Звёзды в них заметно старше звёзд диска, а газа и пыли в скоплениях почти нет.

Вокруг всего этого простирается гало — обширная тусклая область из горячего газа, старых звёзд и, судя по всему, тёмной материи. Именно исследования кривых вращения галактики показали, что основная масса сосредоточена не в диске и не в центре, а как раз в гало.

С Млечным Путём гравитационно связаны два спутника — Большое и Малое Магеллановы облака, видимые из Южного полушария. Большое Магелланово облако достигает около 14 000 световых лет в поперечнике и находится на расстоянии примерно 163 000 световых лет; из-за гравитационного взаимодействия оно постепенно теряет часть своего газа и пыли в пользу нашей галактики.

Сколько же там звёзд

Взвесить галактику напрямую невозможно, зато можно оценить её массу по орбитальному движению звёзд — так же, как масса Солнца вычисляется по орбите Земли. Солнце обращается вокруг центра галактики на расстоянии 2,6 × 10²⁰ метров (те самые 28 000 световых лет) со скоростью около 220 километров в секунду.

Подставив эти цифры в уравнение, выведенное из третьего закона Кеплера в ньютоновской форме, получаем массу порядка 2 × 10⁴¹ килограммов внутри орбиты Солнца — это около 100 миллиардов солнечных масс. Добавив вещество за пределами этой орбиты, астрономы приходят к оценке примерно в 200 миллиардов звёзд во всей галактике.

Число внушительное, но подсчитано оно не прямым наблюдением, а цепочкой из орбитальной скорости, закона тяготения и допущения, что большая часть массы всё же приходится на обычные звёзды, а не только на тёмную материю в гало.

Отдельный вопрос, который неизбежно возникает при разговоре о масштабах галактики, — сколько планет в Млечном Пути и как астрономы вообще подступаются к такому подсчёту.