M13 — Большое шаровое звёздное скопление в Геркулесе

Подобно тому, как созвездие Андромеды знаменито своей галактикой, а созвездие Ориона — одноименной туманностью, примерно так же созвездие Геркулеса в среде любителей астрономии в первую очередь ассоциируется с роскошным шаровым скоплением Messier-13 — самым ярким из подобных вселенских структур, расположенных в пределах северного небесного полушария (тут надо признать, что в южном небесном полушарии есть шаровые скопления существенно более яркие, но это не умаляет интереса к Объекту сегодняшнего рассказа).

Шаровые скопления — особая тема, которая может быть рассмотрена в нескольких плоскостях. Длительное время — тысячи лет — люди созерцали звёздный узор, пытаясь найти логику и упорядоченность в хаосе разбросанных по небу мерцающих светил. Эти устремления породили в культурах многих народов такое явление, как созвездие. Трудно сейчас сказать, по каким именно критериям те или иные звезды объединялись в группы, но вероятно визуальная близость здесь играла свою роль, хотя и не всегда. Но если уж звезды оказывались в некотором количестве буквально в одном направлении, как например, Плеяды, это обязательно находило отражение в Мифологии, вызывало всеобщее восхищение, и предположение, что это — неспроста — может ли такое быть случайностью, когда столько небесных светил собрались в одном месте — сразу семь!

Расположение шаровых звёздных скоплений M13 и M92 на звёздной карте в созвездии Геркулеса.
Изображение является скриншотом программы Stellarium

Каково могло бы быть удивление древних звездочетов, если бы им кто-то сказал, что семь — это далеко не предел. И в одном небольшом районе космического пространства звёзд может быть в тысячи раз больше... в сотни тысяч раз больше... И уж такое их соседство точно нельзя было бы назвать случайностью.

Но, всему своё время

Впервые направивший в небо подзорную трубу Галилео Галилей открыл несколько двойных звезд, но посчитал такую близость светил иллюзорной. Он уже догадывался, что звёзды не вбиты в небесную твердь. Он же распознал в сиянии Млечного пути сливающееся для глаза множество более слабых звёзд. И тоже не нашел этому правильного объяснения — случайно ли их столько много в некоторой части неба?

Последователи Галилея начали регулярно открывать объекты на звёзды совсем непохожие — продолговатые, округлые или вовсе бесформенные светлые пятна, порой не имеющие четких границ — плавно растворяющиеся во тьме бездонного космоса.

Одно из таких пятен в 1714 году обнаружил Эдмунд Галлей — знаменитый прежде всего тем, что предсказал регулярное возвращение к Солнцу одной из ярчайших комет, названной впоследствии его именем. Галлей открыл это пятно в оптику, разумеется. Но тот час же отметил, что его и глазом видно (интегральный блеск M13 равен 5,8m). Оказывается на небе оставалось еще много такого, что было без труда видно невооруженным глазом, но до изобретения телескопа почему-то никто этого не видел?

(Не иначе, как очередной апдэйт Матрицы.)

К тому времени уже было замечено, что отдельные туманные пятна на деле оказывались скоплениями некоторого количества звезд. Это было то, что сейчас мы называем рассеянными скоплениями, и счет там шел на десятки или сотни звезд. Открытого Галлеем пятна это не касалось. Сколько не вглядывались в свои самые сильные окуляры наблюдатели той эпохи, никому не удалось разобраться, из чего состоит то пятно в Геркулесе. Одно было ясно — это не комета, ведь пятно не меняет своего положения со временем. В 1764 году Шарль Мессье занёс это пятно в свой каталог за номером 13 — чтобы в будущем не спутать с кометой (с этой целью каталог и создавался).

В 1779 году Уильям Гершель успешно разделил M13 на отдельные звёзды. И даже составил его первую карту, определив точное положение сотен звёзд в этом скоплении, а общее их количество оценил на уровне 8500 звёзд — больше его телескоп показать не мог, и центральная часть скопления оставалась просто светлым пятном — без какой либо детализации. Но во внешней части скопления Гершель усмотрел некоторые флуктуации — звёзды выстраивались в радиальные цепочки, которым Гершель дал название "Паучьи лапы". Астрономы и по сей день не знают, насколько реальны эти видимые конструкции, и не являются ли они плодим нашего бесконтрольного стремления во всем искать и находить упорядоченность. Но вы можете как минимум проверить себя — если посмотрите на современный любительский астрофотоснимок скопления M13 и слегка расфокусируете взгляд — тут-то "Паучьи лапы" и появляются. Потом их будет легко выявить и без "расфокусировки".

Зарисовка шарового звёздного скопления M13 от Эрика Граффа (Eric Graff)

В остальном же данный звёздный массив весьма правилен, однороден во всех направлениях, концентричен, сфероидален. Типичное шаровое звёздное скопление.

Сам термин "Шаровое скопление" или "Globular Cluster" ввел именно Уильям Гершель. Обладая крупнейшими телескопами он мог себе позволить начать специальную программу по исследованию этого нового класса объектов. Эту инициативу подхватили другие астрономы. M13 и другие "шаровики" оказались под пристальным вниманием, и пользуются им по сей день (или может быть правильнее было бы сказать — ночь?), но вопросов ученых по отношению к этим удивительным галактическим образованиям не убавилось.

В 1888 году скопление вошло в Новый Общий Каталог (NGC), составленный Джоном Дрейером, под номером 6205.

Оказалось, что все шаровые скопления — очень далёкие и очень-очень древние вселенские объекты. В этом смысле M13 не является исключением.

По результатам современных исследований расстояние до Скопления Геркулеса составляет 25 тысяч световых лет. Это условная величина, и погрешность может составлять ± 1 тысячу световых лет. Но это вполне нормально. Некоторые другие расстояния в астрономии определены с гораздо меньшей относительной точностью.

На таком большом расстоянии удается наблюдать лишь самые яркие звёзды — красные гиганты и так называемые "Голубые бродяги" (о которых чуть позже). А звёзды, подобные Солнцу с расстояния в 25k световых лет не только едва ли дотягивают до предела проницающей способности крупнейших современных телескопов, так еще и безнадежно утопают в сиянии гигантов, которые в этом скоплении буквально сливаются. Что уж говорить о белых или красных карликах, которые там обязательно есть, но совершенно не доступны прямому наблюдению. Поэтому количество звёзд в шаровых скоплениях, и в скоплении M13 в том числе, астрономам доподлинно неизвестно. Они могут лишь оценить порядок этой величины.

В некоторых источниках общее население Скопления в Геркулесе осторожно описано как "сотни тысяч звёзд", но в большинстве статей все же фигурирует конкретная цифра 100 000 (вряд ли имеющая отношение к реальности). Однако, изучая динамику движения звезд внутри скопления астрономы с большей степенью уверенности смогли оценить суммарную массу этого кластера: 600 — 800 тысяч солнечных масс (в крайнем случае — до 1 млн. масс Солнца). Из этого следует, что средняя звезда M13 "весит" 6-8 Солнц, что слишком много даже для шарового скопления, населенного преимущественно гигантами (ведь мы определяем гигантов в первую очередь по размерам и светимости, но не по массе, а масса в 8 Солнц — это уже как минимум сверхгигант). Если столько много гигантов, то и "карликов" должно быть не меньше.

Современные телескопы вполне могут заглянуть в самый центр Большого скопления Геркулеса. Оно сравнительно не слишком плотное (если принять современную количественную оценку звёздного населения) — в его центральной части звезды расположены в 100-200 раз плотнее, чем в окрестностях Солнца. С той разницей, что в окрестностях Солнца нет столько гигантов, а там в расчет берутся только они.

Центральная часть шарового звёздного скопления M13.
Снимок космического телескопа имени Эдвина Хаббла

Было бы интересно вообразить небо гипотетической планеты, обращающейся вокруг одной из звёзд в центральной части шарового скопления. На нашем небе доступных глазу звёзд всего 5-6 тысяч. Тех, из которых удалось сложить фигуры созвездий — пара сотен. Но небо планеты внутри шарового скопления сверкало бы сотней тысяч звезд, по яркости превосходящих Венеру, а может и полную Луну. Как из этого хаоса сложить фигуры созвездий, и дать им имена? Задача непростая. И это мы еще о карликах не вспомнили, которые тут тоже есть, и светят как ярчайшие звезды земного неба — просто потому что они в изобилии и совсем рядом.

Среднее расстояние между звездами в шаровых скоплениях могут быть порядка 1/4 светового года (это в пределах нашего облака Оорта). Тусклая Проксима Центавра на таком расстоянии смотрелась бы ярким рубином, сравнимым с Альдебараном.

Возможны ли планетные системы вокруг звёзд в такой тесноте?

В Большом шаровом звёздном скоплении Геркулеса планет пока не обнаружено. Но как минимум одна планета внутри "шаровика" астрономам известна — она обнаружена в скоплении M4 в созвездии Скорпиона (оно всё-таки в 4 раза ближе к нам). Не исключено, что и в M13 что-то планетообразное отыщется. Но с потенциально обитаемыми планетами в шаровых скоплениях всё сильно хуже, потому что тела подобные Земле — каменистые планеты — там не из чего строить. Весь тот материал, из которого могли бы быть построены планеты, либо выдувается во вне мощными звёздными ветрами гигантов, либо поглощается звёздами скопления. Равновесного пространства для формирования протопланетных дисков там маловато. И тяжелых элементов, из которых можно было бы собрать что-то подходящее, тоже дефицит.

Но когда-то с жизнью в шаровых скоплениях у астрономов были связаны большие надежды. Представьте, что Вам нужно отправить всего одно послание братьям по разуму, и сделать это нужно так, чтобы получить сигнал могло наибольшее количество предполагаемых слушателей. Куда бы вы его послали? Конечно туда, где больше всего звёзд — в шаровое скопление — там их сотни тысяч. По теории вероятности из сотен тысяч хотя несколько могут оказаться обитаемыми, а из них ну хотя бы одна цивилизация может оказаться развитой до такой степени, чтобы быть способной принять радиосигнал и расшифровать его.

К сожалению, успех такого мероприятия не одной только вероятностью определяется, но и физическими условиями конкретной локации, которые, как оказалось, не слишком подходящие для привычных нам форм жизни.

Вид с воздуха на обсерваторию Аресибо в декабре 2012 года

Тем не менее, в этот звёздный кластер (поперечником в 150 световых лет) был отправлен мощный радиосигнал посредством радиотелескопа Аресибо — в 1974 году. Сигнал содержал в себе всего 1679 бит информации — это число интересно тем, что получается перемножением двух простых числе — 23 и 73, а значит можно развернуть его в прямоугольник и "увидеть" сообщение. Изобразить много не получилось, но кое-что о нас и нашей культуре вместить удалось — цифры, которыми мы пользуемся, атомные веса химических элементов, структуру Солнечной системы и кое-что ещё — не вполне понятное даже большинству людей, живущих на Земле.

Смогут ли это понять жители иных планетных систем?

Наверное, такой цели даже не ставилось. Отправка была чисто символической — не "для чего", а "почему" — потому что мы уже можем отправлять сигналы в глубокий космос. Он доберется до мета назначения не скоро, но тем важнее отправить сигнал как можно раньше (что и было сделано). Сейчас становится понятно, что это было довольно узкое окно возможностей. Ведь буквально через 5 лет Мир содрогнулся от сюжета фантастической кинокартины "Чужой", и желания отправлять сигналы существам, о которых мы ничего не знаем, у Человечества сильно поубавилось. Быть может и не скоро придет ответ, но может оказаться, что лучше бы он не приходил вовсе. А теперь уже нет того радиотелескопа — Аресибо был разрушен в роковом для нашей цивилизации 2020 году. Плюс к тому, в момент отправки сигнала предполагалось, что он пробудет в пути 22 тысячи лет. Но сейчас срок доставки увеличился до 25 тысяч (хотя прошло всего-ничего). И в целом даже складывается впечатление, что за истекшие полвека бы оказались существенно дальше от своей давней мечты — встретить во Вселенной хоть кого-нибудь...

Послание Аресибо, переданное в направлении шарового звёздного скопления M13, 16 ноября 1974

Природа Шаровых скоплений ученым по сей день не слишком ясна. Звёзды, населяющие все подобные структуры заметно отличаются от тех, что живут вне шаровых скоплений. Немногим более столетия назад два астронома — Эйнар Герцшпрунг и Генри Норрис Расселл — соотнесли спектры и светимости большого количества звёзд, из чего получили диаграмму, известную сейчас как "Диаграмма Герцшпрунга — Рассела". В ней очевидным образом локализуются наиболее распространенные звёздные состояния и в целом прослеживается эволюционный путь большинства светил. Но звёзды шаровых скоплений (как выяснилось позже) в эту диаграмму вписываются не всегда, или с определенной натяжкой. И виной тому частые взаимодействия звезд внутри шаровых скоплений, в результате чего звезды могут постоянно обмениваться веществом или даже сливаться, образуя новое светило, живущее уже совсем другую жизнь, и такая звезда мгновенно перемещается по диаграмме туда, где ей быть не положено, и где вообще не должно быть звёзд.

Диаграмма «Спектр — Светимость» Герцшпрунга — Рассела

Это и есть "Голубые бродяги"

По сути своей, это звёзды, существенно более массивные и более возрастные, но задержавшиеся в голубых спектральных классах — своему возрасту как-будто не соответствующие. Астрономы объясняют это именно слиянием звезд в шаровых скоплениях, или продолжительным обменом массой, что тоже в шаровых скоплениях происходит. Если не знать, что это результат слияния двух или нескольких звёзд, то можно подумать: "С такой массой столько не живут!" Но если предположить, что звёздам в шаровых скоплениях не чужда дозаправка (другими звёздами), то многое становится понятно. Но, конечно, не всё.

M13, как и все шаровые скопления, довольно древнее. Оно видело самые ранние этапы развития Вселенной, и населено звездами преимущественно II поколения (наше Солнце принадлежит к III поколению, а I поколение мы уже не застали, но звезды "шаровиков" их видели). Возраст шаровых скоплений соизмерим с возрастом Вселенной. Но точно его определить сложно. Для скопления M13 оценки разнятся от 13,5 млрд лет до 11 млрд.лет. То и другое — возраст очень солидный. При этом, всю свою жизнь шаровые скопления живут как-будто в изоляции от остальной части Галактики.

В каждой галактике есть некоторое количество "шаровиков". В нашей известно более полутора сотен. В Галактике Андромеды — порядка 500. Но не стоит недооценивать Галактику Млечный путь — мы не можем видеть её полностью, находясь внутри. В этом смысле, другие галактики куда более удобны для структурного изучения. Возможно, что в нашей Галактике шаровых скоплений не меньше. Возможно также, что количество шаровых скоплений проливает свет на историю формирования любой галактики.

Шаровое скопление M13 расположено в стороне от полосы Млечного пути. Это весьма характерно. Рассеянные скопления, напротив, тяготеют к спиральным рукавам и вообще — к галактическому диску. Шаровые более или менее равномерно распределены по всему галактическому гало, и двигаются в нем по своим собственным орбитам, которые никак не коррелируют с усредненным вращением галактики. Шаровое скопление Геркулеса хорошо подтверждает это правило. Оно удалено от центра Галактики примерно на столько же, насколько удалено от нас, и возвышается над плоскостью Млечного пути на соизмеримую высоту. При этом оно приближается к нам крайне стремительно — 250 километров секунду. Отчасти это объясняется тем, что само Солнце движется среди ближайших звёзд в направлении созвездия Геркулеса. Но эта скорость Солнца невелика — около 20 км/сек. Галактическая орбита Солнца пролегает в направлении созвездия Лебедя, и по ней скорость Солнца уже выше — около 220 км/сек. Но и она не объясняет стремительность сближения с шаровым скоплением M13. Вывод может быть только такой, что M13 движется против вращения Млечного пути и немного поперек него.

Структура типичной спиральной галактики

И примерно так движутся большинство шаровых скоплений. Такая динамика их движения породила гипотезу о внегалактическом происхождении многих шаровых скоплений — что сформировались они не из звезд Млечного пути, а потому и не наследуют момент движения. А с другой стороны, Млечный путь — одна из крупнейших галактик во Вселенной — могла возникнуть лишь в результате слияния многих (десятков или даже сотен) галактик поменьше, ядра которых теперь существуют как непокорное население галактического гало.

За всю историю астрофотографии шаровое скопление Геркулеса удостоилось неисчислимого множества портретов. Его фотографировали в крупнейших наземных обсерваториях и с помощью орбитальных телескопов. Его угловой (видимый) размер сравним с полной Луной, но астрономы составляли мозаичные и панорамные коллажи, чтобы охватить хотя бы центральную часть скопления. И конечно, для этого скопления составлены самые детальные карты, на которых отмечены все выявленные среди сотен тысяч звёзд те, которые меняют свой блеск и могут служить космическими дальномерами (цефеиды, RR-лириды). Это невообразимо сложные карты, запомнить которые вряд ли возможно, и разбираться в них без современных компьютерных средств немыслимо. Не удается человеческому разуму для упрощения картины вычертить там какие-то логически обоснованные "созвездия". Но может быть поможет Искусственный Интеллект. Его ассоциативные способности не ограничиваются сотней объектов, как у нас (а у человека такой предел существует еще с обезьяних времен!).

Любительский снимок шарового скопления M13 от Эммы Гарретт (Emma Garrett)

Любители астрономии тоже не отстают, и M13 является сокральным объектом в любительской астрофотографии. Современные любительские снимки этого скопления оказываются очень информативны, и могут содержать ценную для науки информацию, особенно в плане мониторинга внезапных катаклизмических звёздных событий (слияния, обмена массой через аккрецию). Да и просто сам вид этого искрящегося звёздного шара завораживает любого влюбленного в небо человека. Я лично видел это скопление в очень сильные инструменты, и ни одна фотография — даже от космических телескопов — и близко не передает того величия звёздного сияния сотен тысяч исполинских солнц, какие можно увидеть здесь в хороший телескоп.

Но даже если у Вас телескопа нет, и доступа к телескопу нет, вы — оказавшись под темным безлунным небом — сможете отыскать M13 в пределах астеризма "Трапеция Геркулеса" — в бинокль, трубу, или просто глазом. Глазом, конечно, вы увидите это скопление лишь как слабую звезду с едва заметной диффузностью. Но в бинокль это уже хорошее по размера пятнышко. В телескоп от 100 мм апертуры скопление начинает распадаться на отдельные звёзды по краям, а в 200-миллиметровый инструмент оно уже представляет собой незабываемое зрелище.

Расположение шарового звёздного скопления M13 относительно звёзд Трапеции Геркулеса

Скопление очень удобно расположено — между двумя западными (правыми) звёздами "Трапеции Геркулеса" — Эта и Дзета Геркулеса — ближе к Эте. Но совсем рядом со скоплением есть еще пара звезд 7-й звездной величины, которые однозначно свидетельствуют, что отыскали вы именно то, что искали. Эти звезды видны глазом в горах — я видел. Они знчительно ближе скопления — 500 и 1000 световых лет. Наверняка сигнал, отправленный радиотелескопом Аресибо, накроет и их. И если вблизи них есть обитаемые планеты, мы можем получит ответ от братьев по разуму гораздо раньше. Главное — быть к этому готовым.

ПОДДЕРЖАТЬ ПРОЕКТ «ВСЕЛЕННАЯ И ЧЕЛОВЕК»

PS: В созвездии Геркулеса есть еще одно шаровое звездное скопление — M92. Удивительно, что оно практически не уступает описанному выше скоплению по всем своих характеристикам — расстояние 26 тысяч световых лет, сравнимо по размерам, массе и численности звёздного населения, и тоже может быть видимо невооруженным глазом в благоприятных условиях (оно лишь немного слабее — 6,2m против 5,8m). Но такой же популярности на планете Земля оно по каким-то причинам не имеет.

Шаровое звёздное скопление M92 в созвездии Геркулеса. Изображение получено космическим телескопом имени Эдвина Хаббла