книги / Эволюция звёзд и галактик

. Спиральная структура туманности Андромеды

61

тщательные поиски эмиссионных туманностей в так на­ зываемом главном теле М31 и не смог найти ми одной. Так как в эмиссионных туманностях всегда есть звезды О и В, пыль и газ, он пришел к выводу, что, поскольку в спиралях Sb много газа и пыли и нет эмиссионных туманностей, в них отсутствуют также и звезды О и В. Очевидно, у него просто не было возможности (из-за отсутствия «красных» пластинок. — Перев.) найти эмис­ сионные туманности.

О действительных размерах туманности М 31 я узнал из замечательной статьи, опубликованной Вокка в Болонье. Он фотографировал М31 с 4-дюймовым теле­ скопом, используя такую экспозицию, чтобы толькотолько начинала появляться вуаль от фона неба. Шаг за шагом он увеличивал негативы, тщательно стараясь извлечь из них всю возможную информацию, и сделал действительно первоклассную работу'). Когда я изме­ рил его фотографии, оказалось, что самая внешняя изо­ фота, которую еще можно проследить на этих увеличен­ ных отпечатках М31, очерчивала очень вытянутый эл­ липс, 280'Х56'. Этой картиной я прежде всего и руко­ водствовался в своих планах.

Мои пластинки, полученные с 200-дюймовым теле­ скопом, были ориентированы вдоль большой оси М31. Каждая пластинка покрывала 45' (вдоль большой оси)Х32' (вдоль малой оси) с достаточным перекрытием между соседними пластинками. Поэтому требовалось около десяти пластинок с каждой стороны от большой оси (от северо-восточной до юго-западной), чтобы по­ крыть всю область М31.

У меня были четыре серии пластинок: 1) обычные 60-минутные экспозиции на чувствительных к синим лу­ чам пластинках ЮЗа-0 с фильтром GG1 (этот фильтр брался для того, чтобы при использовании алюмини­ рованного зеркала оставаться в международной фото­ графической системе звездных величии); 2) серия 4-ча­ совых пластинок 103-Е+ RG2, покрывающих область)*

*) Вокка применял метод физического усиления изображения, последовательно переснимая с увеличением свои негативы на кон­ трастных пластинках. — Прим, персе.

62		Глава 5
спектра кк	6400—6700 А, включающую водородную ли­
нию На; 3)	другая	4-часовая	серия пластинок, 103-U с
комбинацией двух		фильтров,	покрывающих область

спектра Кк 6700—7200 А; 4) экспозиции в ультрафиоле­ товых лучах от 2 до 3 час пластинок ЮЗа-О-Ь IG2, при Ж3900А, применявшиеся только для наиболее интерес­ ных областей. Это была далеко идущая программа. Я добавил еще серию пластинок с каждой стороны большой оси, параллельно ей, но лишь в синих лучах, чтобы поискать удаленные шаровые скопления. Третья такая же серия, только более узкая, шла еще дальше от большой оси и тоже параллельно ей.

Серия 2 была предназначена для получения линии На. Чтобы обнаружить эмиссионные туманности, я ис­ пользовал области спектра, свободные от сильных или умеренных эмиссионных линий; одной из них была чрезвычайно благоприятная область Кк 6700—7200 А (се­ рия 3) — ома очень узка и содержит только совсем сла­ бые небулярные линии1). Поэтому сравнение пласти­ нок 103-Е с пластинками 103-U могло бы выделить эмиссионные объекты, интенсивные на эмульсиях 103-Е и очень слабые или отсутствующие на 103-U.

Конечно, из-за большого расстояния М31 следовало ожидать, что изображения значительной части туман­ ностей на пластинках будут иметь очень небольшие раз­ меры и звездообразный или даже звездный вид.

Ясно, что при решении этой задачи требования к ка­ честву изображения были не такими строгими, как при разрешении на звезды (они были описаны в гл. 4), так что можно было использовать и хорошие ночи, исклю­ чая лишь плохие ночи и ночи с изображениями сред­ него качества. Я начал в 1945 г. с 4-часовых экспозиций и кончил осенью 1949 г., как раз когда вступил в строй 200-дюймовый телескоп.

Сначала я дам общее схематическое описание спи­ ральных ветвей М31, как они выявились в этом обшир­ ном исследовании. Я обозначу их в том порядке, в кото­

ром	они пересекают	большую		ось: с северо-восточной)•
•)	Н е б у л я р н ы е	л и н и и — это		линии, характерные для из­
лучения газовых туманностей;			наиболее обычные нз них — линии
нейтральных и ионизованных			азота и	кислорода. — Прим рвд.

Спиральная структура туманности Андромеды

63

стороны я назову их последовательно N1, N2 и т. д.; с юго-восточной — Si, S2 и т. д. Я сразу же могу сказать,

что, начиная с N2, S2 и далее,— это	пересечения одной
и той же ветви, но неясно, связаны	ли друг с другом

Ni и Si. Прочие пары с одинаковыми индексами связаны друг с другом. Являются ли последующие ветви, ска­ жем Sc и S7, следующим оборотом предшествующих, в настоящее время неизвестно. Нужно подождать, когда

спиральная	структура	будет полностью распутана.
				Таблица 2
РАССТОЯНИЕ СПИРАЛЬНЫХ РУКАВОВ ОТ ЦЕНТРА М 31
	Р а с с т о я н и е			Р а с с т о я н и е
В е т о ь	мин.		ВСТНЬ	м н и .
		к п е			КПС
	д у г и			д у г и
Ni	3,4	0,6	S,	1,7	0,3
Ns	8,0	1,5	S2	10,5	1,9
3	25	4,6	S3	30	5,5
N	50	9,2		47	8,6
N4			S4
5	70	12,9	S5	66	12,1
N	91	16,7		95	17,4
N„			So
N7	ПО	20,2	s7	116	21,3

В табл. 2 даны приблизительные расстояния каждой спиральной ветви от центра М31 в минутах дуги и ки­ лопарсеках. При переводе в линейные расстояния я

принял модуль расстояния т — М = 24'"0, исправленный за поглощение в пределах М31 и на пути к нашей Га­ лактике.

Теперь я опишу эти ветви, сгруппировав их, как ука­ зано выше. Я приведу лишь общее описание их вида, как его дают современные наблюдения.

Nt и Si. Пылевые ветви; не видно ни сверхгигантов, ни областей Н II. (Здесь я подразумеваю под сверхги­ гантами не только то, что обычно под ними понимают, но также и яркие звезды О и В, т. е. весь комплекс чрезвычайно ярких звезд.)

N2, N3 и S2, S3. Пылевые ветви с небольшим количе­ ством сверхгигантов. Первые сверхгиганты появляются

64	Глава 5
в N2 , S2, первые	области И II — в N3, S3. Это все еще

в основном пылевые ветви, а присутствие сверхгигантов означает, что и здесь идет процесс звездообразования.

N4, N5 и S4, S5. Промежуточные ветви. Максимальное количество звезд населения I; спиральные ветви теперь полны сверхгигантами; пыль становится все менее и ме­ нее заметной.

N6, N7 и SG, S7. Спиральные ветви определяются рас­ сеянными вдоль них группировками сверхгигантов, среди них много голубых; никаких очевидных признаков пыли (отсутствуют пятна поглощения).

Видно, что ветви простираются очень далеко. Всего их можно различить семь, уходящих с каждой стороны примерно на 20—21 кпс. Приведенное описание хорошо отражает двойственную природу спиральных ветвей: с одной стороны, это группировки сверхгигантов, звезд населения I, с другой они состоят из газа и пыли. Если идти от центра наружу, последовательность, очевидно, будет такая: сначала существенное преобладание газа

ипыли с небольшой примесью сверхгигантов, звезд на­ селения I, затем мы проходим через максимум таких звезд, причем пыль и газ начинают постепенно исчезать;

инаконец, во внешних ветвях начинают исчезать как население I, так и пыль и газ.

Япроследил спиральные рукава лишь до того места, где, как я был уверен, спиральная ветвь еще суще­ ствует. Очевидно, спиральная структура простирается и еще дальше, но она становится настолько слабой, что с имеющимися средствами выявить ее невозможно. На это указывает скопление звезд В, которое я нашел вне

S7, — не очень яркое скопление, по-видимому М = —4т . Это маленькое скопление, которое можно бы назвать ассоциацией, имеющей примерно 200 пс в диаметре, на­ ходится в 2°,23 от центра, что соответствует расстоянию 24,6 кпс. Есть также и великолепная вереница звезд

В очень далеко от спиральной структуры. Она					образует
маленькую полоску,	тоже	не	очень	яркую — звезды
М = —Зт или 4т . Я	уверен,	что	это	старая,	«допотоп­

ная», давно распавшаяся ветвь М31. Самое большое расстояние вдоль большой оси, до которого я еще мог

Спиральная структура туманности Андромеды

65

проследить шаровые скопления, составляет 2°,5 от цент­ ра, что соответствует 27,5 же. Здесь находятся два ша­ ровых скопления. Они очень близки к краю системы.

По табл. 2 можно проследить некоторые отклонения

от правильной формы: Sz и S3	лежат дальше, чем N2
и N3, N4 и N5 — дальше, чем S4	и S5, SGи S7 опять-таки

дальше, чем Nc и N7. Кроме этих отклонении, есть ин­ тересное возмущение в спиральной структуре на югозападной стороне, хорошо заметное, если попытаться определить положение большой оси по точкам поворота различных ветвей. Если фиксировать центр, окажется, что все эти точки лежат точно на прямой, кроме S2| S3 и S4 , которые смещены в одну сторону; S5 снова лежит на этой прямой. Сферический спутник туманности Ан­ дромеды М32 лежит близ точки поворота, и соблазни­ тельно думать, что он оказывает приливное действие на спиральные ветви. Когда я все это показал Шварцшильду, он по приливному возмущению оценил массу М 32.

Для окончательного определения расстояния спи­ ральных ветвей необходимо подождать, пока будет про­ веден анализ всей спиральной структуры. Ветви можно последить либо по газу и пыли, либо по голубым звез­ дам. Я еще не могу сказать, как получить окончательное значение среднего. Все существенным образом зависит от точки, в которой спиральная ветвь пересекает боль­ шую ось, и неопределенности положения слабых групп звезд В; если с одной стороны оси окажется более плот­ ная группа, она, несомненно, сдвинет положение види­ мого центра. Пока мы знаем лишь общую схематиче­ скую картину.

Я уже говорил о двойственной природе спиральных ветвей, которые состоят частично из пыли и частично из звезд населения I. Наиболее поразительный пример можно увидеть, если очень внимательно проследить за поведением N4 , S4 ; это яркий контур наверху (т. е. в се­ верной части М 31. — Перев.) справа от него NGC205. Верхняя сторона М31 — удаляющаяся. Эта ветвь N4, S4 до некоторой точки определяется яркими звездами на­ селения I. Затем она внезапно исчезает и продолжается уже как темная полоса со случайной россыпью сверх­ гигантов, а потом (близ яркого звездного облака5

5 В. Иааде

Глава 5

NGC206) возвращается к старому виду и вновь очер­ чивается звездами. Это чрезвычайно поучительно, и мы увидим впоследствии, что эта темная полоса, действи­ тельно являющаяся спиральным рукавом, заполнена эмиссионными туманностями. Спиральная ветвь и в са­ мом деле выглядит как темный рукав; это производит сильное впечатление.

Я упоминал, что Хаббл не смог найти ни одной эмис­ сионной туманности, но мой обзор позволил обнаружить их почти 700. Теперь мы знаем положение этих туман­ ностей по «красным» пластинкам, но, если вы посмотри­ те на них на «синих» пластинках главного тела, где их в основном и искал Хаббл, вы в лучшем случае обнару­ жите очень слабое пятнышко, в котором вы никогда бы не признали эмиссионную туманность, не зная этого зара­ нее. Неудивительно поэтому, что Хаббл их пропустил.

По мере продолжения исследования становилось все более ясным, что эмиссионные туманности являются лучшими указателями спиральной структуры; они нани­

заны на спиральные рукава	подобно жемчужинам.
В темной полосе, связанной с N6 и N7, где находятся
эмиссионные туманности, пыль	определяет положение

спиральной ветви. В этой области Хаббл спутал проме­ жуток между ветвями со спиральным рукавом. Струк­ тура в самом деле не очевидна; спиральная ветвь по­ добна хамелеону — она может изменять свой вид. При­ чина должна частично заключаться в строении ветви; можно думать, что пыль обвивает края рукава; это объ­ яснение может оказаться верным и поэтому нуждается в специальном исследовании для проверки, хотя и вы­ глядит, как придуманное ad hoc (специально для дан­ ного случая — лат. — Ред.). Видно, однако, что внутри рукава численность областей Н II одинакова, в каком бы направлении ми двигаться вдоль него. Поэтому чис­

ленность сверхгигантов должна быть одной		и	той	же
по всей ветви, однако пыль	может изменять		внешний
вид ветви очень заметным образом.		являются
Эмиссионные туманности	действительно
одними из лучших указателей спиральной		структуры;
Морган, Остерброк и Шарплесс впервые успешно				ис­
пользовали их для исследования нашей Галактики.

Спиральная структура туманности Андромеды

67

Две наиболее удаленные эмиссионные туманности, обнаруженные при этом исследовании М31, находятся в самых крайних ветвях, N7 и S7. Если через X обозна­ чить угловое расстояние вдоль большой оси, через У — угловое расстояние вдоль малой оси (положительные

значения в направлении			М32), а через R — расстояние
от центра, то координаты этих туманностей будут
N7:	X =	+ Пб',76;	Г =	+ 6',35;	# =	21,5 т с
S7:	* =	— 113',64;	Y =	-0 ',5 2 ;	# =	20,8 кпс.

Размеры М31, следующие отсюда, конечно, не оконча­ тельные, но они того же порядка, что получается по группам звезд и шаровым скоплениям.

Замечательно то, что все это можно наблюдать лишь в красных, а не в синих лучах, и теперь ясно, что при­ чина заключается в межзвездном покраснении. Это было доказано, когда Мейел, желая использовать эмис­ сионные туманности для определения вращения М31, обнаружил, что их спектры подобны спектрам обычных эмиссионных туманностей нашей Галактики. Покрасне­ ние вызвано межзвездным поглощением света, и это объ­ яснение становится еще более приемлемым, если вспом­ нить о большом наклоне М31. Угол между лучом зре­ ния и экваториальной плоскостью М31 составляет лишь 1 1°,7; таким образом, мы смотрим как бы на плоский лист, и все эффекты, вызываемые поглощением, усили­ ваются.

Последовательность того, что определяет спираль­ ную структуру, начинается по существу с пыли во вну­ тренних ветвях, затем становятся заметны звезды на­ селения I, а пыль начинает исчезать, и, наконец, исче­ зает и то и другое. Эта последовательность превосходно прослеживается и при изучении эмиссионных туманно­ стей, свидетельствуя еще раз о том, что трудности фо­ тографирования эмиссионных туманностей на «синих» пластинках вызваны межзвездным покраснением. Во внешних ветвях М31 эмиссионные туманности видны и на «синих» и на «красных» пластинках, хотя на первых их число, конечно, резко падает. Во внутренних ветвях эмиссионных туманностей очень мало; в промежуточных

5*

Глава 5

ветвях с максимальным развитием населения I мы ви­ дим и максимальное число эмиссионных туманностей; во внешних ветвях, где исчезают пыль, газ и население I, очень быстро уменьшается также число областей Н II. Все данные очень хорошо согласуются между собой.

Поскольку в состав эмиссионной туманности обяза­ тельно входят горячие звезды достаточно высокой све­ тимости (звезды О и В), газ и пыль, то концентрацию областей Н II в спиральных рукавах легко понять. Пра­ вильным объяснением будет следующее: спиральные ветви содержат звезды О и В, а также газ и пыль. Ясно также, почему эмиссионные туманности не разбросаны повсюду; дело в том, что возбуждающие звезды отсут­ ствуют вне спиральных ветвей. Но есть ли газ и пыль вне спиральных ветвей? Здесь мы уже не можем опи­ раться на эмиссионные туманности, необходимы дру­ гие аргументы.

Шаровые скопления М31 могли бы указать на нали­ чие пыли и газа вне спиральных ветвей. Мы увидим позднее, что шаровые скопления имеют совсем другое пространственное распределение, чем эмиссионные ту­ манности. Есть все основания думать, что, как и в на­ шей Галактике, газ сильно концентрируется к эквато­ риальной плоскости звездной системы, в то время как шаровые скопления образуют сферическую систему. Их несколько», сотен (вероятно, 300 или 400), и половина из них лежит позади экваториальной плоскости. Испыты­ вают ли они покраснение или нет?

Времена моих экспозиций оказались такими (1 час на «синих» пластинках и 4 час на пластинках, чувстви­ тельных к На), что шаровые скопления на обоих видах пластинок получались одинаковой яркости. Для про­ верки могло бы послужить шаровое скопление на даль­ ней стороне системы, проецирующееся недалеко от гра­ ницы, до которой я прослеживал спиральную структуру. Разница в яркости этих скоплений на «красных» и «си­ них» пластинках пренебрежимо мала; пластинки были сняты так, что они давали одинаковое почернение при показателе цвета +0т ,6. Это давало превосходный спо­ соб проверить, как сказывается на этих скоплениях по­ глощение. Я пришел к убеждению, что на ряде скопле­

Спиральная структура туманности Андромеды

ний, лежащих вне М31, поглощение никак не сказыва­ лось (за исключением поглощения между нами и М31, которое, как мы знаем, должно быть мало). Проблема состояла теперь в том, чтобы обнаружить следы погло­ щения в шаровых скоплениях по всей галактике М31.

Я мог бы обнаружить разницу в цвете в 0 'л2 . К моему удивлению оказалось, что в общем никакого эффекта поглощения нет; где бы я ми находил шаровое скопле­ ние, цвет его был тот же самый. Слабые шаровые скоп­ ления имели величину \7т или 18,п, и их всегда легко можно было отличить от случайных эллиптических га­

лактик, истинный показатель цвета которых равен + 0 Л19 плюс добавочное покраснение, вызванное эффектом рас­ ширения вселенной.

В общем эффект поглощения полностью отсутство­ вал, но в 1 0 или 1 2 случаях шаровые скопления под­ верглись очень сильному покраснению. Каждое из этих скоплений было расположено в спиральной ветви и, очевидно, просматривалось сквозь нее. Вообще говоря, свет скоплений не испытывает покраснения, исключая те случаи, когда скопление лежало за плоскостью систе­ мы — тогда покраснение внезапно появлялось. Этот ре­ зультат был окончательно подтвержден недавно, когда Арп заново предпринял изучение Новых в М31. Как только Новая обнаруживала сильное покраснение, ока­ зывалось, что она лежит непосредственно в спиральном рукаве.

Таким образом, наблюдения показали, что эмиссион­ ные туманности в спиральных рукавах подверглись силь­ ному покраснению, но большинство шаровых скоплений мы наблюдаем сквозь пространство, свободное от пыли. Следовательно, вне спиральных ветвей должно быть очень мало пыли, а значит и очень мало газа. Это при­ вело меня к предположению, что не только население 1 , но также и газ и пыль концентрируются в спиральных рукавах. Когда я впервые сообщил эти результаты на Конференции по динамике межзвездных облаков в Па­ риже, они вызвали серьезные сомнения и никто не хо­ тел им верить. Главным возражением было то, что Струве статистически изучил связь интенсивности меж­

70 Глава 5

звездных линий Н и К с расстоянием и получил, что всегда, до максимально больших расстояний, эти интен­ сивности с расстоянием увеличиваются. Я отвечал, что это произошло потому, что Струве смотрел сквозь нашу собственную спиральную ветвь (ветвь Персея еще не была выявлена). К счастью, через четыре года измере­ ния распределения водорода на волне 2 1 см убедили даже самых больших скептиков в том, что спиральные ветви — это реальные концентрации пыли и газа и что между рукавами плотность этой материи падает до очень низких значений.

Идея о равномерном распределении пыли и газа была просто предположением. Работы Струве с исполь­ зованием гарвардских пластинок были совершенно пра­ вильными. Все затруднения возникли из-за неоправдан­ ной экстраполяции. Был и другой аргумент: половина массы в наших окрестностях заключена в звездах, дру­ гая же половина— в пыли. Сам по себе этот результат совершенно верен даже сегодня. Но когда он экстрапо­ лируется на всю Галактику, приходят к неверным вы­ водам.

Стало очевидным, что пыль и газ концентрируются в спиральных рукавах. И это было очень важно, потому что положило конец попыткам объяснения спиральной структуры на основе теории движения отдельных звезд. Вопрос теперь стоял так: поскольку спиральные ветви являются месторасположением населения I, а также га­ за и пыли, то что же является первичным и что вторич­ ным? Образовались ли звезды из газа и пыли или же пыль и газ обязаны своим появлением звездам?

Имелся довод, который сразу же убеждал в том, что звезды образовались из газа и пыли, а не наоборот. После работ Бёте и Вайцзекера многие астрономы ука­ зали, что, поскольку сверхгиганты имеют очень высокую светимость и, следовательно, очень короткое время жизни (десятки миллионов лет), их число должно непре­ рывно пополняться. Далее, в то время мы уже прекрас­ но знали, что звезды рождаются в значительных ко­ личествах, например в туманности Ориона. Это озна­ чало, что первичным элементом в спиральной структуре являются пыль и газ и что мы должны забыть о’тщет-