Чем крупнее телескопы, тем больше расстояния до звезд

В 1920 году перед астрономией все еще стояли две огромные задачи: определение размера Млечного Пути и природы туманностей. Главный вклад в их решение внесли Джордж Хейл (рис. 6.4) и Генриетта Суон Ливитт (рис. 6.5), появившиеся на свет в 1868 году с разницей в неделю.

Джордж Эллери Хейл родился в Чикаго в состоятельной семье. Его поприще наблюдателя начиналось в далекой юности с подержанного четырехдюймового линзового телескопа. Еще студентом физического факультета Массачусетского технологического института он изобрел прибор, названный спектрогелиографом, для изучения солнечных протуберанцев и в 1890 году защитил на его основе диплом. Перенесение Хейлом физики на астрономическую почву привело к рождению астрофизики.

Однако главный вклад Хейла заключался в телескопах — больших телескопах. На первый взгляд основная задача телескопа состоит в увеличении, однако простое укрупнение нечеткого или расплывчатого изображения, по сути, ничего не дает. На самом деле главная задача телескопа — собирание как можно большего количества света и различение деталей. Чем больше телескоп, тем больше света он может собрать и тем лучше он различает два близко расположенных источника света.

Свои недюжинные организаторские и пробивные способности Хейл направил на строительство крупнейшего в мире телескопа. В этом деле ему сопутствовала удача. Построенные Хейлом телескопы три раза оказывались крупнейшими в мире. Второй телескоп Хейла был назван в честь лос-анджелесского предпринимателя Джона Д. Хукера, пожертвовавшего деньги на покупку зеркала. Этот телескоп с поперечником 2,5 м был установлен на горе Маунт-Вилсон, возвышающейся над Лос-Анджелесом, и вступил в действие в 1918 году.

Хейл не только добывал деньги и контролировал установку телескопа Хукера, он укомплектовал Маунт-Вилсоновскую обсерваторию блестящими исследователями, включая двух новоиспеченных докторов философии: Харлоу Шепли (окончившего Принстонский университет в 1914 году) и Эдвина Хаббла (окончившего Чикагский университет в 1917 году); о них речь впереди. В 1928 году Джордж Хейл увольняется из Маунт-Вилсоновской обсерватории, сославшись на переутомление и желание вернуться к собственным изысканиям. Передышка длилась недолго. Вскоре он приступает к разработке и выбиванию средств для другого большого телескопа, с поперечником в 5 м, на горе Паломар в Калифорнии. Хейл умер в 1938 году. Пятиметровый телескоп был завершен спустя десять лет и назван в его честь (на протяжении почти 40 лет телескоп Хейла заслуженно считался крупнейшим в мире).

Генриетта Ливитт тоже родилась в 1868 году, тоже еще в юности увлеклась наукой и тоже поступила в массачусетское учебное заведение. В 1892 году она заканчивает Радклифский колледж²³, в ту пору еще Общество преподавания наук женщинам. На последнем курсе Ливитт увлеклась астрономией и после окончания учебы поступила на другое отделение. Тяжелая болезнь лишила ее слуха, но тяга к астрономии не пропала. В 1895 году она стала одной из «вычислительных машин» Эдуарда Пиккеринга в обсерватории Гарвардского колледжа.

Эта женская группа проводила расчеты и изучала данные снимков в целях «сбора фактов», как выражался Пиккеринг. Поначалу Ливитт работала на добровольных началах, но после обретения навыков в определении светимости звезд по стеклянным негативам спустя семь лет ее взяли на полный рабочий день (со ставкой 30 центов в час, что по курсу 2003 года соответствует 6 долларам).

Представительницы «пикеринговского гарема», как ласково величали женщин, не были самостоятельными исследователями. Они делали то, что им скажут. Нудная, но важная работа Ливитт состояла в составлении списка весьма необычных звезд, обнаруженных в Малом Магеллановом облаке, размытого светового пятна, напоминающего кусок, отколотый от Млечного Пути. Малое и Большое Магеллановы облака хорошо знакомы наблюдателям Южного полушария. Они названы в честь Фернана Магеллана (1480—1521), в 1519 году во время своего кругосветного путешествия видевшего их [описал же их историограф и участник экспедиции Антонио Пигафетта (1480/1491—1534?). Полный список его дневниковых записей был обнаружен в Милане и впервые опубликован в 1800 году]. В Магеллановых облаках Ливитт обнаружила 1777 звезд, их светимость периодически менялась от яркого блеска до тусклого и обратно.

Звезды с переменной светимостью называют цефеидами — по созвездию Цефей, где их впервые обнаружили. Периоды изменения светимости у цефеид колеблются от одного до ста дней. Старательно сравнивая сделанные в различное время снимки, Ливитт выявила четкую зависимость: более ярким звездам соответствуют более продолжительные периоды. На основе этой зависимости, названной период-светимость зависимостью, через светимость и период ее изменения у цефеид можно определить их удаленность от Земли. Однако исследовательница не стала привлекать этот многообещающий способ измерения расстояний к решению каких-либо астрономических задач. Она, которая, по мнению одной из ее сослуживиц, «обладала лучшими мозгами в обсерватории», напечатала о найденной ею зависимости период-светимость в 1912 году и принялась за очередную поставленную перед ней задачу. Она продолжала трудиться в Гарвардской обсерватории до самой кончины в 1921 году. Ее смерть была воспринята сослуживцами как «бедствие».

Выдающийся датский астроном Эйнар Герцшпрунг оценил значение открытой Ливитт зависимости период-светимость ив 1913 году использовал ее при определении расстояния до Малого Магелланова облака. Харлоу Шепли тоже привлек данный способ в Маунт-Вилсоновской обсерватории при нахождении расстояния до другого ряда звездных скоплений, именуемых шаровыми. При трехмерном построении местонахождения шаровых скоплений выяснилось, что центр их распределения удален от нашей Солнечной системы на 15 тыс. пк (позже эту величину снизили до 9 тыс.). Шепли пришел к выводу, что центр распределения шаровых скоплений совпадает с центром Млечного Пути. И тогда получалось, что общая величина Млечного Пути составляет 100 тыс. пк, что оказалось существенно выше прежних оценок. Затем изучение «новой звезды» (впервые вспыхнувшей звезды) в туманности Андромеды позволило Шепли оценить расстояние до нее в 10 тыс. пк. Таким образом, представленная Шепли картина Вселенной указывала на то, что перед нами одна обширная Галактика, Млечный Путь, а наша Солнечная система находится вдали от ее центра.

Одна большая Галактика или многочисленные обособленные галактики

Различие между предлагаемой Шепли моделью Млечного Пути и более привычной моделью оказалось в центре внимания на состоявшемся в 1920 году собрании Национальной академии наук в Вашингтоне (округ Колумбия). Туда для вступительного доклада в честь [чикагского промышленника] Уильяма Эллери Хейла (ум. 1898) (отца Джорджа Хейла) был приглашен молодой Харлоу Шепли (рис. 6.6). Однако вместо привычного изложения доклад обернулся дискуссией. Содокладчиком Шепли выступил Хебер Кертис (рис. 6.7), сотрудник обсерватории Лика, который только что завершил свои наблюдения за спиральными туманностями.

Темой их дискуссии стал «масштаб Вселенной». Кертис отстаивал устоявшийся взгляд: Млечный Путь составляет в поперечнике всего лишь 10 тыс. пк, а Земля расположена вблизи его центра. Заключая свое выступление, Кертис отошел от обозначенной темы и рискнул предположить, что спиральные туманности (так они назывались в то время) находятся очень далеко и составляют отдельные галактики (сегодня мы знаем, что это спиральные галактики). Хоть Шепли и не был готов к такому повороту, он утверждал, что спиральные туманности представляют собой небольшие газовые облака внутри нашей Галактики, и в качестве свидетельства привел недавние наблюдения своего сослуживца и друга Адриана ван Маанена из Маунт-Вилсоновской обсерватории. Кертис отверг работу ван Маанена, посчитав ее несущественной. Действительно, позже выяснилась ошибочность наблюдений ван Маанена.

Дискуссия не выявила победителя и даже не получила достаточного отклика, но идея Шепли о более обширном Млечном Пути с удаленной от его центра Землей, похоже, привлекла внимание общественности. Дома, в Маунт-Вилсоне, сослуживец Шепли Эдвин Хаббл не скрывал своих симпатий к Кертису. Хаббл и Шепли никогда не ладили, поскольку Шепли работал над программой, на которую имел виды Хаббл, когда отправлялся во Францию на поля сражений Первой мировой войны. К тому же британская манерность Хаббла, постоянное напоминание о своей учебе за границей благодаря стипендии Родса²⁴ раздражали Шепли. Их соперничеству пришел конец в 1921 году. Умер Эдуард Пиккеринг, и Харлоу Шепли покинул Маунт-Вилсон, чтобы возглавить в том же году Гарвардскую обсерваторию. Хаббл все внимание направил на М31, где, как он думал, сумеет различить отдельные звезды и, пожалуй, даже определить их удаленность от Земли. 2,5-метровый телескоп Хукера не отпускал от себя.

За долгие, холодные ночи бдения у телескопа Хаббл (на рис. 6.8 он запечатлен за работой) наконец был вознагражден. В ночь с 5 на 6 октября 1923 года он отыскал первую переменную звезду-цефеиду в туманности М31. С помощью открытой Генриеттой Ливитт зависимости период-светимость для цефеид и построенного Джорджем Хейлом телескопа Хаббл определил расстояние до М31 (ныне известной как туманность Андромеды), составившее 300 тыс. пк. Даже с учетом раздутого Шепли поперечника для Млечного Пути М31 оказалась слишком удаленной, чтобы уместиться в нашей Галактике.

Представление об «островной Вселенной» теперь нашло опытное подтверждение. Оказалось, что существует два различных вида цефеид, так что Хаббл на самом деле даже уменьшил расстояния. Современная оценка удаленности М31, туманности Андромеды, составляет 750 тыс. пк. Благодаря Хабблу рисуемый астрономией образ Вселенной претерпел значительные изменения. Млечный Путь стал лишь одной из многочисленных галактик, рассеянных среди огромных просторов мироздания.



Рис. 6.8. Эдвин Хаббл

Затем Хаббл применил телескоп Хукера для решения задачи по выявлению подробного устроения галактик. На протяжении нескольких лет Хаббл наблюдал за расплывчатыми световыми пятнами, которые доставляли столько хлопот Мессье при выслеживании комет. Он выяснил, что многие из них в действительности представляют собой звездные галактики. Обнаружив спиральные, линзовидные, эллиптические и неправильные галактики, он классифицировал их по внешнему виду. Их чертеж он напечатал в виде, названном камертонным. К 1929 году значимость вклада Хаббла в астрономию подкрепили его доказательства удаленности галактик и проведенная классификация. Однако Хабблу предстояла еще более грандиозная работа.

Вы смотрите на спидометр. Сейчас ваша скорость в пределах нормы, но какой она была 100-200 м назад, когда вы проезжали мимо патруля? К вашему большому облегчению, полицейская машина проносится мимо. Но вы замечаете нечто странное. Звук сирены был резче при приближении патруля, чем при его удалении.

И это вовсе не игра вашего воображения, а действительно наблюдаемое явление, именуемое эффектом Доплера. При испускании звуковой волны движущимся источником покоящийся наблюдатель воспринимает ее с различной частотой: при приближении источника звука к приемнику высота звука растет, а при удалении — понижается. То же происходит, когда мимо вас проносится поезд, гоночный автомобиль или над вами пролетает самолет. Чем быстрее движется источник звука, тем явственнее у него частотный сдвиг.

Доплеровский эффект присущ и свету. При приближении светового источника к наблюдателю его спектр смещается в область более высоких частот, что именуют фиолетовым смещением; при удалении источника его спектр смещается в область меньших частот, что называют красным смещением. Поскольку нашим органам чувств недоступны очень большие скорости, доплеровский эффект у света мы не замечаем. Но посредством регистрирующих частотные сдвиги спектрометров ученые могут вычислить скорость светового источника. На Земле синоптики используют доплеровский радиолокатор для определения скорости перемещения атмосферного фронта, а полицейские — для выяснения, насколько быстро мы едем. В астрономии доплеровский эффект позволяет определить скорость звезд или даже целых галактик.

Первым астрономом, воспользовавшимся доплеровским сдвигом, был Весто Слайфер, проработавший всю жизнь, с 1901 по 1952 год, в Обсерватории Лоуэлла в Флагстаффе (штат Аризона). В 1912 году, помимо поисков на Марсе каналов в соответствии с задумкой богатого астронома-любителя Персиваля Лоуэлла, Слайфер стал измерять доплеровское смещение у спиральных туманностей еще до того, как в них признали галактики. У первой же туманности, М31, чье смещение он определил, скорость оказалась невероятной — 300 км/с. У нее наблюдался фиолетовый сдвиг, что указывало на приближение М31 к нам. К 1917 году Слайфер измерял скорость 15 спиральных туманностей, выяснив, что у 13 красное смещение, а это означало их удаление от нас со скоростью в некоторых случаях больше 300 км/с, как отмечалось у М31. Последствий такого сумасшедшего бегства от Солнечной системы в то время еще до конца не представляли, хотя следовало бы задуматься над причинами такой явной непопулярности нашей системы.

Здесь и сказал свое слово Хаббл. При определении скорости галактик Хаббл опирался на доплеровские сдвиги, найденные Слайфером и сослуживцем Хаббла — Милтоном Хьюмасоном, которому удалось измерить скорость разбегания 800 галактик. Хьюмасон начинал работу в Маунт-Вилсоновской обсерватории водителем грузовика, затем стал ночным сторожем, помощником астронома и, наконец, наблюдателем и соавтором Хаббла, вместе они написали ряд важных статей. Недурно для человека с четырьмя классами образования!

Хаббл приступил к определению расстояний до галактик, скорости которых вычислили Слайфер и Хьюмасон. Подход Генриетты Ливитт с использованием светимости цефеид был точен для ближайших галактик, но не годился для более дальних. Цефеиды в таких галактиках были едва различимы. Хаббл изобрел новый способ определения расстояния на основе выделения наиболее яркой звезды галактики. Метод ярчайших звезд позволял оценить расстояние почти до всех галактик из списка Слайфера. Для оставшихся галактик Хаббл при определении расстояния взял за основу общее количество излучаемого ими света.

Наблюдение расширения

Для выяснения зависимости расстояния от скорости Хаббл вычертил кривую этой зависимости (рис. 6.9). Без учета разброса измерений зависимость оказалась линейной. Одним словом, чем удаленнее галактика, тем быстрее она движется. Строго говоря, данная зависимость относилась лишь к выбранным Хабблом галактикам. Однако из нее следовал весьма неожиданный вывод: Вселенная как единое целое расширяется.

Чтобы понять, как это происходит, прибегнем к более наглядному сравнению. Вообразим себе космический марафон. После начала забега одни участники бегут со скоростью 4 мили в час, другие — 3, а третьи — 2 мили. Через час бегущие со скоростью 4 мили покроют расстояние в 4 мили со скоростью 3 и 2 мили соответственно, так что получится кривая, построенная Хабблом. Заметим, что с точки зрения любого бегуна все другие от него удаляются.

Линейная зависимость между скоростью разбегания и расстоянием ныне носит имя Хаббла. Хотя полученные Хабблом значения расстояний были впоследствии уточнены, сделанные им выводы остаются верными. Вселенная состоит из звездных галактик, она огромна и расширяется. На рис. 6.10 можно увидеть и Эдвина Хаббла, и Альберта Эйнштейна.

Когда Эйнштейн ознакомился с работой Хаббла, он исключил космологическую постоянную, введенную им в уравнения общей теории относительности для придания Вселенной стационарного вида, назвав этот показатель «самой грубой ошибкой своей жизни». Как мы увидим, космологическая постоянная может вернуться в качестве возможного решения крупнейшей не решенной астрономией загадки.

Теоретики вскоре поняли, что если расширение Вселенной с ее галактиками вернуть в прошлое, то окажется, что на ранней ступени все вещество и энергия Вселенной находились в очень плотном состоянии. Получившуюся теорию сторонник совсем иного взгляда Фред Хойл [в одном из выступлений по радио в 1950 году] насмешливо назвал большим хлопком. Однако это название благодаря экспериментальному подтверждению так и закрепилось за теорией (см.: Список идей, 16. Большой взрыв).

Примечательно, что огромное расхождение в отношении масс галактик обнаружили вскоре после обнародования зависимости Хаббла [«красное смещение спектральных линий — расстояние»] и удаления из расчетов космологической постоянной Эйнштейна, но этот вопрос обходили стороной почти 40 лет. Еще более поразительно, что астроном, впервые заметивший эту несообразность, оказался выпускником цюрихского Политехникума, подобно Эйнштейну, и всю жизнь проработал в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе — Caltech), Маунт-Вилсоновской и Маунт-Паломарской обсерваториях, как и Хаббл.

Его звали Фриц Цвикки. Родившись в Болгарии в 1898 году, Цвикки 6-летним ребенком переехал жить в Швейцарию к дедушке с бабушкой, так и оставшись навсегда гражданином Швейцарии. Не попав на Первую мировую войну по малолетству, Цвикки изучал теоретическую физику в Политехникуме и в докторской диссертации 1922 года использовал законы квантовой механики для изучения кристаллов. В 1925 году Цвикки по Рокфеллеровской стипендии²⁵ поехал в США, выбрав местом занятий Калифорнийский технологический институт, поскольку предгорья Пасадены хоть как-то походили на его Альпы. Вопреки ожиданиям своего попечителя Роберта Э. Милликена вместо квантовой механики Цвикки увлекся астрономией. Он стал работать с другим немецкоговорящим астрономом Вальтером Бааде. В начале своего научного пути Цвикки изучал скопление галактик, известное как Волосы Вероники, и обозначенное Мессье номером М100.

С помощью доплеровских методов, впервые предложенных Весто Слайфером и опробованных в Маунт-Вилсоновской обсерватории Милтоном Хьюмасоном, Цвикки определил скорости восьми галактик в созвездии Вероники и оценил массу, необходимую для удержания этих галактик полем тяготения внутри самого скопления. Затем он сравнил полученную массу с величиной массы всего скопления, рассчитанной на основе исходящего от него света. Оказалось, что для удержания скопления от разлетания необходима значительно большая масса. Недостающую массу Цвикки назвал темной материей.

По его расчетам выходило, что в созвездии Вероники темной материи значительно больше, чем обыкновенного вещества. Столь тревожного вывода другие астрофизики не замечали почти 40 лет, возможно, из-за того, что он прозвучал на немецком языке в неприметном журнале Helvetica Phisica Ada. Статья называлась «Красное смещение внегалактических туманностей».

За долгие годы плодотворной деятельности Цвикки выдвинул множество остроумных идей, которые отстаивал с завидным упорством. Для одних это был человек блестящего ума, для других — грубиян. У каждого, кто встречался с Фрицем Цвикки (рис. 6.11), складывалось о нем свое мнение. Пожалуй, приветствие, которым он зачастую встречал гостей в Калифорнийском технологическом институте: «Кто же вы, черт возьми!» — можно адресовать и темной материи. Как бы то ни было, некоторое время темная материя не очень-то сказывалась на делах астрономических.

Следующий важный вклад в 1970 году внесли Вера Рубин и У. К. Форд, первыми изучившие вращение М31 (туманности Андромеды), а затем еще более 60 спиральных галактик. Выяснилось, что все эти галактики вращаются с большей скоростью, чем способна обеспечить их видимая масса, что свидетельствовало о существовании скрытой массы. По мере роста поступающих данных стало невозможно обходить этот вопрос. Темная материя заявляет о своем существовании, причем ее почти в 10 раз больше обыкновенной светящейся (видимой) материи — до тех пор, пока мы не пересмотрим наши представления о тяготении (но об этом дальше).

В темноте рассуждать о темной материи

Рассматриваются три различных способа в объяснении природы темной материи: барионная темная материя, не-барионная темная материя или возможное недопонимание тяготения.

Примером темной барионной материи могут служить:

• 
  Обыкновенное вещество. Гелиевые и водородные облака, рассеянные в межгалактическом пространстве, считаются обыкновенной темной материей.
  

• 
  Коричневые карлики размером примерно с Юпитер или наименьшую звезду, но тяжелее Юпитера в 80 раз. Эти объекты формировались одновременно со звездами и планетами, но из-за недостаточной для запуска механизма ядерного синтеза массы они просто медленно остывают, излучая энергию, слишком малую, чтобы наши датчики ее обнаружили.
  
• 
  Белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры — это все, что осталось от существовавших некогда звезд малой, средней и большой массы, и у них слишком слабое (либо отсутствующее вовсе, как у черных дыр) для регистрации излучение.
  

♦ Холодная темная материя. Такая материя состояла бы из крайне тяжелых, медленных частиц. Эти частицы получили название слабовзаимодействующих элементарных частиц с неравной нулю массой покоя (WIMPs — Weakly Interacting Massive Particles). Ни одна из них не была пока обнаружена, но существование некоторых таких частиц вытекает из теорий, объясняющих механизм появления массы у элементарных частиц (см. гл. 2). Холодная темная материя могла бы включать:

• 
  фотино, или суперсимметричных партнеров фото нов с массой, превышающей массу протонов в 10— 100 раз;
  
• 
  аксионы, гипотетические частицы, призванные объяснить отсутствие определенного свойства у ней тронов, а также наблюдаемую асимметрию Вселен ной;
  
• 
  кварковые комья, представляющие собой необычное, пока еще не наблюдавшееся сочетание шести кварков (см. гл. 2).