Астрономический словарик: зодиакальный свет, ионосфера, квазар

Зодиакальный свет

В северном полушарии перед самым рассветом осенью и сразу после заката весной в той стороне неба, где должно взойти (или только что зашло) солнце, видно небольшой светящийся участок неба примерно треугольной формы. Поскольку он лежит на зодиаке — поясе на небесной сфере, по которому пролегает видимый путь Солнца — его называют зодиакальным светом.

По некоторым данным, жители Центральной Америки упоминали об этом явлении ещё в первой половине второго тысячелетия. В печати сообщения о нём впервые появились в XVII веке, и в том же веке знаменитый итальянский и французский астроном и инженер Джованни Доменико Кассини, изучавший это явление, сумел практически правильно описать его источник. Он писал, что это сияние вызывают «пылевые частицы, окружающие Солнце».

Действительно, свечение, видимое на небе — это солнечный свет, отражённый от частиц межпланетной пыли. Единственное, о чём астрономы не могли долго договориться — это об источнике этой пыли. Некоторое время считалось, что эта пыль происходит из кометных хвостов и от столкновений астероидов в поясе астероидов.

Первая динамическая компьютерная модель зодиакального облака показала, что облако такой плотности может возникнуть, только если его источники будут «пылить», двигаясь по орбитам, достигающим орбиты Юпитера.

Из-за эффекта Пойнтинга—Робертсона (физического процесса, в результате которого в Солнечной системе пылевые частицы медленно падают по спирали в сторону Солнца) пылевые частицы выстраиваются по почти круглым орбитам, и по спирали падают на Солнце. Поэтому зодиакальному облаку постоянно требуется подпитка в виде новых частиц.

Мелкие частицы в облаке постоянно измельчаются из-за столкновений друг с другом и космического выветривания. Частицы, уменьшившиеся до размера около 10 мкм, покидают внутреннюю часть Солнечной системы под действием солнечного излучения. А в 2015 году новые результаты, полученные космическим аппаратом Розетта, показали, что значительная часть частиц зодиакального облака происходит от комет юпитерианского семейства, а те частицы, которые находятся ближе к Земле, произошли с какой-то планеты внутренней части Солнечной системы — скорее всего, с Марса.

Ионосфера

Слои ионосферы днём и ночью

В 1839 году немецкий математик и физик Карл Фридрих Гаусс, изучавший вариации магнитного поля Земли, пришёл к выводу, что за них может быть ответственным проводящий электричество слой атмосферы. Через 60 лет после этого предположения Гильермо Маркони получил первый радиосигнал, преодолевший Атлантический океан. Сообщение из трёх точек, что на языке азбуки Морзе означает «S», было отправлено с юго-запада Англии на частоте 500 кГц и принято на острове Ньюфаундленд на антенну высотой 150 м, поддерживаемую воздушным змеем (подробнее об истории реле, появлении радио и впоследствии вычислительных машин читайте в моей серии переводных статей и в печатной книге, изданной на их основе). Чтобы преодолеть это расстояние, сигналу нужно было как минимум два раза отразиться от верхнего слоя атмосферы.

В 1902 году английский учёный-самоучка, инженер, математик и физик Оливер Хевисайд предположил, что в атмосфере присутствует слой заряженных частиц, ионосфера. В том же году американский инженер-электротехник Артур Эдвин Кеннели открыл некоторые радио- и электрические свойства ионосферы. Впоследствии оказалось, что ионосфера состоит из нескольких слоёв, D, E и F, средний из которых также иногда называют слоем Кеннелли — Хевисайда.

Благодаря тому, что в 1912 году Конгресс США запретил радиолюбителям использовать частоты меньше 1,5 МГц, в 1923 году было открыто, что в ионосфере распространяются и радиоволны высокой частоты. Впервые же сам термин «ионосфера» был предложен в 1926 году шотландским физиком Робертом Уотсоном-Уаттом. Его письмо, в котором он предложил этот термин, попало в широкую публикацию лишь в 1969 году. Там он пишет:

В последнее время мы видим всеобщее принятие термина «стратосфера» и его компаньона, «тропосфера». Кажется подходящей идеей добавить к этой череде термин «ионосфера», обозначающий регион, основной характеристикой которого является масштабная ионизация и существенная длина свободного пробега.

Английский физик Эдуард Виктор Эплтон в 1947-м получил нобелевскую премию за серию экспериментов, проведённых им в 1927 году и подтвердивших существование ионосферы. В 1960-х 1970-х годах было запущено несколько канадских спутников «Алуэтт» для изучения свойств ионосферы.


Слои ионосферы

На сегодняшний день понятно, что ионосфера – это оболочка из электронов и заряженных атомов и молекул, окружающая Землю и простирающаяся на высотах от 50 до 1000 км. Её существование по большей части обеспечивает ультрафиолетовое излучение Солнца; небольшой вклад также вносит рентгеновское излучение. Поэтому ионизация атмосферы меняется в соответствии с суточными циклами, 11-летними циклами солнечной активности, а также зависит от времени года. Слои D, E и F различаются по ионизации в разное время суток и по тому, какое именно излучение влияет на них больше всего.

Квазар

Как художник представил себе квазар ULAS J1120+0641

В 1910-1920-х годах астрономам благодаря работам Хаббла и других стало понятно, что объекты, которые было принято называть «туманностями», представляют собой удалённые от нас галактики – такие же, как наш Млечный Путь. Вселенная в умах учёных резко увеличилась в размерах, и из единственной Галактики, содержащей миллионы звёзд, превратилась в не поддающееся представлению вместилище миллионов различных галактик, «островных вселенных».

В 1950-х годах, когда началась эпоха радиоастрономии, учёные обнаружили кое-что необычное: среди галактик присутствовало определённое количество аномальных объектов неизвестной природы. Они испускали радиоволны на многих частотах, но источники этих радиоволн не удавалось разглядеть в оптические телескопы. Только иногда на месте этих источников было видно тусклые точки, напоминающие удалённые звёзды. Спектральные линии этих объектов, описывающие их химический состав, тоже выглядели очень странно.

Некоторые из этих объектов очень быстро меняли свою видимую яркость в оптическом диапазоне, и ещё быстрее — в рентгеновском. Это накладывало верхнее ограничение на их возможный размер — в пределах нашей Солнечной системы. В свою очередь, это вкупе с мощностью их излучения говорило о необычайной энергетической плотности данных объектов. В процессе обсуждения их природы учёные называли их «квазизвёздными источниками радиоизлучения», или «квазизвёздными объектами» (не путать с гипотетическими «квазизвёздами») [quasi-stellar objects, QSO]. Впоследствии это название сократили до простого «квазара».

В 1960-х годах такие объекты стали уже находить сотнями, и астрономы пытались найти источники таких мощных сигналов в оптические телескопы. Впервые это удалось сделать в 1963 году, когда квазар 3C 48, наконец, разглядели в телескоп. Они увидели что-то вроде тусклой бледно-голубой точки и измерили её спектр, в котором оказалось множество незнакомых широких линий испускания, объяснить которые не получалось.

Затем голландский астроном Мартен Шмидт, активно изучавший квазары и расстояния до них, сумел показать, что странные линии испускания в спектре квазара 3C 273 — не что иное, как обычные спектральные линии водорода, испытывающие красное смещение. По всему выходило, что объект удаляется от нас со скоростью в 47 000 км/с — а на то время объяснений этому не было. Как непонятно было и то, каким образом этот объект светится ярче любой галактики, имея при этом куда как более скромные размеры. Впрочем, дальнейшие измерения и расчёты подтвердили гипотезу Шмидта: все квазары оказались очень удалёнными от нас объектами, при этом удаляющимися с огромными скоростями.

В 1964 году Эдвин Эрнест Солпитер (американский физик-теоретик и астрофизик, биофизик) и Яков Борисович Зельдович (советский физик и физикохимик, академик АН СССР, доктор физико-математических наук, профессор) независимо друг от друга выдвинули предположение (теперь ставшее общепринятым), что источниками невероятной энергии квазаров служат аккреционные диски, материя из которых падает в массивные чёрные дыры.

Но тогда такое предоположение казалось слишком экзотическим, в частности, не было подтверждено, что в центрах многих галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры, и многие астрономы не могли его сразу принять. Поэтому в 1960-х и 1970-х годах было выдвинуто множество гипотез о природе квазаров, где их пытались представить не такими удалёнными и не такими мощными, а также объяснить значительное красное смещение другими физическими эффектами, вплоть до такой экзотики, как антиматерия и белые дыры.

Однако с течением времени и накоплением результатов наблюдений, особенно в рентгеновском диапазоне, стало ясно, что Солпитер и Зельдович попали в точку. Вселенная расширяется, удалённые галактики удаляются от нас с большими скоростями, из-за чего свет от них испытывает красное смещение, а в центрах многих галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры, поглощающие материю и испускающие вследствие этого мощное излучение — в тысячи раз больше, чем всё излучение, испускаемого звёздами Млечного Пути. Излучение порождают силы гравитации и трения, воздействующие на приблизившуюся к чёрной дыре материю.

Также стало понятно, почему большинство квазаров находятся далеко от нас, и, следовательно, существовали в ранней Вселенной. При поглощении материи сверхмассивной чёрной дырой наступает момент, когда почти вся материя поблизости от неё исчезает, и квазар постепенно затухает, превращаясь в обычного вида галактику.

Процесс поглощения аккреционного диска и испускания излучения был смоделирован в конце 1970-х, а к концу 1980-х подобное объяснение природы квазаров уже стало общепринятым.