В ясную безлунную ночь с земли можно увидеть около 2–3 тысяч звёзд. Даже самый мощный телескоп способен различить гораздо больше, но всё равно лишь ничтожную часть от их общего числа. Как же астрономы пришли к поразительной цифре в 100–400 миллиардов звёзд в нашей родной галактике? Ведь их невозможно пересчитать поштучно. Этот научный подвиг, подобный оценке количества песчинок на пляже невооружённым глазом, стал возможен благодаря косвенным методам, сочетанию наблюдательной астрономии и статистических моделей.
1. Прямой подсчёт и его ограничения
Самый очевидный способ — попытаться пересчитать звёзды на небе, но у этого метода есть фундаментальные проблемы.
Во-первых, Земля находится внутри галактического диска, поэтому мы видим его с ребра. Пыль и газ в плоскости диска (особенно в направлении на центр Галактики — созвездие Стрельца) сильно поглощают свет, скрывая от нас огромное количество звёзд. Свет от далёких звёзд может ослабляться в десятки и сотни раз, делая их невидимыми для наших телескопов.
Во-вторых, телескопы имеют ограниченную чувствительность. Даже мощная обсерватория «Хаббл» способна видеть лишь звёзды определённой яркости. Самые распространённые звёзды во Вселенной, красные карлики, настолько тусклы, что мы не видим их на большом удалении.
Поэтому метод прямого подсчёта применим только к относительно близким окрестностям Солнца — области радиусом в несколько тысяч световых лет. Для оценки общего количества звёзд во всей галактике астрономы используют более хитрые приёмы.
2. Галактическая масса как главный ключ
Основной метод оценки звёздного населения — это определение общей массы Галактики и анализ её функции масс, то есть того, сколько и каких типов звёзд в ней содержится.
Как измеряют массу Галактики? Астрономы наблюдают за движением звёзд, газа и звёздных скоплений под действием гравитации Млечного Пути. Скорость, с которой объекты вращаются вокруг галактического центра, напрямую зависит от всей заключённой внутри их орбиты массы. Так, изучая движение нашего Солнца (скорость ~220 км/с, расстояние от центра ~26 000 световых лет), учёные могут вычислить массу вещества внутри его орбиты.
Общая масса Галактики, по современным данным, составляет примерно от 1 до 1,5 триллионов масс Солнца. Но из этой массы лишь малая часть приходится на светящиеся звёзды.
Вот как распределяется эта масса:
- Звёзды: около 5–10% от общей массы.
- Газ и пыль (межзвёздная среда): около 10-15%.
- Тёмная материя: около 85-90%. Это невидимая субстанция, которая не излучает и не поглощает свет, но её гравитация удерживает нашу галактику от разлёта.
Именно с учётом тёмной материи мы и можем оценить долю, приходящуюся на видимые звёзды.
3. «Взвешивание» звёздного населения (функция масс)
После того как мы оценили суммарную массу всех звёзд в Галактике, нужно понять, сколько же в ней отдельных светил. Оказывается, во Вселенной существует удивительная закономерность: лёгких и маленьких звёзд (красных карликов) намного больше, чем массивных и ярких голубых гигантов.
Эта закономерность описывается так называемой начальной функцией масс. Она говорит о том, что на каждую звезду массой в 10 солнечных масс приходится около 1000 звёзд массой в 0,5 солнечных.
Представьте, что вы «взвесили» все мраморные шарики в мешке, и их общая масса оказалась 10 кг. Если бы все шарики были одного размера, вы могли бы легко подсчитать их количество. Но вы знаете, что маленьких шариков в 100 раз больше, чем больших. Зная эту пропорцию, вы можете точно рассчитать количество шариков разного калибра.
Типичные функции масс были выведены именно из наблюдений за звёздами в окрестностях Солнца. Эти функции описывают распределение звёзд по массе вплоть до очень лёгких и тусклых красных карликов, которые зачастую невозможно разглядеть по отдельности в далёких рукавах Галактики. Именно эта универсальность и позволяет астрономам экстраполировать данные о ближайших к нам звёздах на всю галактику.
4. Итог расчётов: от массы к числу
Итак, у нас есть два ключа:
- Общая звёздная масса нашей Галактики (то, что осталось после вычитания газа и тёмной материи).
- Функция масс — знание о том, сколько и каких звёзд должно быть в этой массе.
Подставляя в эту формулу данные о светимости разных типов звёзд и их распространённости, учёные и получают тот самый разброс в 100–400 миллиардов.
Верхняя граница диапазона (400 миллиардов) достигается, когда мы учитываем огромное количество ещё не открытых, тусклых красных карликов, которые, согласно современным моделям функции масс, могут составлять до 60% и более всех звёзд Галактики.
Эта цифра хорошо согласуется и с данными о частоте рождения звёзд. Подсчитывая новорождённые звёзды в близлежащих туманностях и зная возраст Галактики (около 13 миллиардов лет), несложно прийти к тому же порядку чисел, что и при методе «взвешивания».
5. Современные исследования
Наш рассказ был бы неполным без упоминания о последних достижениях. В 2010-2020-х годах астрономический спутник "Гея" провёл беспрецедентное по своим масштабам исследование. Он измерил точные расстояния, пространственные скорости и другие характеристики для почти двух миллиардов звёзд в нашей Галактике и за её пределами.
Данные Gaia позволяют астрономам не просто оценивать, но и строить подробные и точные трёхмерные карты звёздного населения. Это помогает уточнять модели распределения масс и, в конечном счёте, делать нашу оценку в 100–400 миллиардов ещё более точной и обоснованной. Обработка колоссального объёма данных этой миссии ещё продолжается, и новые открытия ждут нас впереди.
Подпишись, если понравилась статья!
Читайте также: