М51.
Метод, который использовался для определения расстояний до ближайших звезд, для далеких объектов уже не работал. Смещение Земли в течение года для удаленных объектов не меняло направление на этот объект: если смотреть с удаленного объекта, вся орбита Земли превращается в точку. Других методов определения расстояний тогда не существовало.
Но оказалось, что сама природа подбрасывает подсказки ее сообразительным исследователям.
…Есть тип переменных (меняющих свою светимость) звезд, который получил название цефеиды. Нетрудно догадаться, что в названии фигурирует созвездие Цефей — именно здесь находится одна из наиболее характерных цефеид. Цефеиды периодически меняют светимость, их блеск плавно увеличивается, затем уменьшается, и все повторяется снова. Цефеиды продемонстрировали интересную закономерность: оказалось, что светимость цефеиды в максимуме (в момент, когда она излучает больше всего) зависит от периода — промежутка времени между двумя соседними минимумами. Если определить максимальные светимости нескольких цефеид и определить их периоды, на графике зависимости светимости от периода получится прямая линия. Это значит, что, зная период, можно довольно точно определить светимость в максимуме. Эту закономерность в 1908 году обнаружила американский астроном мисс Генриетта Ливитт (1868–1921).
Невозможность применения годичного параллакса Земли при определении расстояний для далеких объектов.
Смещение Земли из положения 1 в положение 2 составляет 152 млн км.
Выдающийся американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953) применил эту закономерность для определения расстояния до одной из туманностей, которая называется туманность Андромеды (нетрудно догадаться, в каком созвездии она находится). С помощью нового, крупнейшего в мире телескопа обсерватории Маунт Вилсон (диаметр зеркала телескопа составлял 2,5 метра), Хаббл рассматривал и фотографировал туманность Андромеды, которая оказалась скоплением звезд. В этом скоплении удалось выделить несколько цефеид (цефеиды — очень яркие звезды) и определить их периоды. Дальше по графику мисс Ливитт было несложно получить значения истинных светимостей цефеид. А затем оставалось сравнить истинный блеск цефеиды с наблюдаемым блеском.
Телескоп Хукера — главный телескоп обсерватории Маунт Вилсон, на котором работал Хаббл, — построен в 1917 году. Он опередил телескоп Парсонса и долго являлся крупнейшим телескопом мира. Работает он и сейчас.
Если вы точно знаете, что номинал наблюдаемой лампочки 100 ватт, можно определить расстояние до нее, измерив, сколько света от нее к вам приходит. Тут достаточно знать, что освещенность, создаваемая источником света, уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния до него.
«Номинал» цефеиды в туманности Андромеды был известен по графику мисс Ливитт — период колебаний яркости Хаббл определил из наблюдений, и оставалось только «войти в график». Несложные расчеты позволили рассчитать, на каком расстоянии должна находиться цефеида в туманности Андромеды, чтобы ее яркость оказалась такой, какую мы наблюдаем.
График зависимости яркости цефеид от периода.
Ответ был ошеломляющим. Расстояние до цефеиды в туманности Андромеды (а значит, и до самой туманности) существенно превышало размеры Галактики! Значит, скопление звезд под названием туманность Андромеды находится далеко за пределами Галактики. Значит, это другая галактика — возможно, похожая на нашу… Расстояние до галактики М31 (так в каталоге Мессье обозначена туманность Андромеды) равно примерно 2,5 миллиона световых лет (напомним, что диаметр Галактики составляет примерно 100 тысяч световых лет — в 25 раз меньше).
Расстояние до ближайшей к нам галактики М31 в сравнении с размерами нашей Галактики.
Так были открыты другие галактики.
Образ хотя и бесконечной, но стационарной (не меняющейся со временем) Вселенной, наполненной многочисленными галактиками, стал наиболее распространенным в среде образованных людей к началу ХХ века. Но этот образ оказался только отчасти правильным.
Но об этом — позже.
7. Вселенная, управляемая физикой
Бог Ньютону сказал откровенно:
«Мне рулить надоело Вселенной!
Сконструируй, Ньютон,
Тяготенья закон —
Пусть он сам управляет Вселенной!»
Сергей Валлаго, «Законы природы»
Критическое мышление и основанный на нем научный метод позволяют добиться поразительных успехов. Еще раз повторим важный тезис: на протяжении десятков тысяч лет, пока не было науки, человек не мог ничего достоверно узнать об устройстве мира.
Замечательный пример применения научного метода — зарождение астрофизики.
Как узнать об устройстве Солнца, звезд и планет? Как получить информацию о том, из чего состоят небесные тела? Как определить их температуру, скорость движения (на больших расстояниях даже быстро движущиеся тела кажутся неподвижными)?
Казалось, узнать это невозможно. В просвещенном XIX веке, в 1835 году французский философ Огюст Конт писал:
«Мы представляем себе возможность определения их (небесных тел. — Авт.) форм, расстояний, размеров и движений, но никогда, никакими средствами мы не сможем изучить их химический состав, их минералогическое строение, природу органических существ, живущих на их поверхности… Я остаюсь при своем мнении, что любое знание истинных средних температур звезд неизбежно должно быть навсегда скрыто от нас».
Слова вроде «навсегда» и «никогда» надо использовать аккуратно. Потенциал науки, вооруженной критическим мышлением, оказался громадным — она смогла решить эту задачу! При этом — не летая к далеким звездам.
Что попадает к нам на Землю от далеких звезд? Только свет. Начиная с середины XIX века физики выяснили, что свет несет в себе информацию о многих физических свойствах источника света, то есть звездах.
Еще опыты Ньютона показали, что в свете ближайшей к нам звезды — Солнца — присутствует свет с разной длиной волны. Там есть и световые волны, которые наш глаз воспринимает как красный цвет, и волны, которые мы получаем в виде желтого цвета, и так далее. Природа сама научилась разлагать свет в спектр — разноцветную полоску, в которой лучи света с разной длиной волны расходятся в разные стороны. В природе капельки воды в атмосфере могут работать как спектральный прибор — лучи солнечного света, проходя сквозь них, расходятся в разные стороны в зависимости от длины волны, и тогда мы видим радугу.
Ньютон соорудил первый искусственный спектральный прибор — спектроскоп. В дальнейшем физики научились строить более совершенные аппараты. Анализ спектров солнечного света позволил определять многое.
Например, удалось определить температуру излучающей свет поверхности Солнца, причем даже несколькими способами. Если с помощью спектрального прибора разложить солнечный свет в спектр, а затем измерить, сколько энергии приносят от Солнца отдельно красные лучи, отдельно зеленые, отдельно фиолетовые — получится график, напоминающий холм с более крутым левым склоном и более пологим правым.
Закон Вина. Точка максимума на графике
