Часть II
Как узнать возраст Вселенной?
Глава 5
31,415
Предыстория галактик и Вселенной в целом
Звезды играют определяющую роль в нашем космическом окружении. Сегодня мы знаем почему: потому, что мы живем в большом их скоплении – Галактике Млечный Путь. С увеличением масштаба оказывается, что определяющую роль во Вселенной, по крайней мере визуальную, играют как раз галактики. Хотя звезды отчетливо видны на ночном небе, они находятся так далеко, что даже относительно близкие к нам галактики выглядят как туманные светящиеся области, без телескопа почти неразличимые. Неудивительно, что первое в Европе описание этих областей – туманностей – появилось лишь в 1614 году, вскоре после изобретения телескопа. Его автором стал Симон Марий (Мариус) – немецкий астроном, по моде того времени латинизировавший свою настоящую фамилию Майр. Он не только открыл галактику (туманность) Андромеды для европейцев (к тому времени она уже была известна арабским астрономам), но и почти одновременно с Галилеем заметил четыре крупнейших спутника Юпитера, правда, не сразу придал огласке свои наблюдения. Прошло еще сто лет, прежде чем Эдмунд Галлей (тот самый, давший имя комете) опубликовал в 1716 году в журнале «Философские труды Королевского общества» статью о туманностях, введя изучение этих объектов в научный обиход. Правда, его объяснение этого феномена было неверным.
Не менее чудесны некоторые светящиеся точки или пятна, открывающиеся лишь в телескоп и представляющиеся невооруженному глазу мелкими неподвижными звездами, но в реальности они не что иное, как свет, исходящий от невероятно огромного космоса в эфире, через который рассеивается носитель света, сияющий собственным блеском.
Галлей не понял, что многие из этих туманностей (галактик) состоят из звезд и светятся именно поэтому. На протяжении двух последующих веков это было камнем преткновения при изучении природы туманностей, в том числе потому, что они бывают двух типов. Для нас сейчас интересны те, которые оказались другими галактиками, в целом напоминающими Млечный Путь; но есть еще истинные туманности – облака газа и пыли между звездами нашей Галактики, которые во многих случаях светятся из-за находящихся в них горячих звезд. Например, такова известная туманность в созвездии Ориона. Кстати, она стала первой в списке, составленном Галлеем, второй была туманность Андромеды. Сегодня термин «туманность» применяется именно к облачным образованиям, а галактики так больше не называют. Для ясности я буду всегда говорить «галактики», даже если Галлей и его последователи в свое время сказали бы «туманности».
В одном Галлей оказался прав: в отличие от планет, наблюдаемые туманности не движутся между звезд, поэтому они наверняка находятся на очень большом от нас расстоянии. И раз они выглядят расплывчато, в отличие от четких бусинок звезд, то наверняка очень велики. Это наблюдение породило множество провидческих, но не вполне научных рассуждений о размере и масштабе Вселенной.
Сила чистого разума
Сначала появилась работа мыслителя XVIII века Томаса Райта из английского графства Дарем. В 1750 году он опубликовал книгу с замечательным названием: «Оригинальная теория, или Новая гипотеза о Вселенной, основанная на законах природы и объясняющая с помощью математических принципов наиболее важные явления видимого мироздания, в частности Млечного Пути». В ней верные утверждения были смешаны с нелепыми, философия и теология – с наукой, но присутствовала одна очень важная мысль. Райт предположил, что внешний вид Млечного Пути – тянущаяся через небо лента – может быть объяснен тем, что входящие в него звезды образуют диск, подобный мельничному колесу, и отдельные светила «все движутся в одном направлении, не сильно отклоняясь от единой плоскости, как планеты в своем гелиоцентрическом движении». Согласно этой модели, звезды вращаются вокруг оси Млечного Пути подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Райт пошел еще дальше и указал, что, возможно, вокруг других звезд тоже обращаются планеты. А если существуют другие солнечные системы (или, как он выразился, звездные системы), почему бы не быть другим млечным путям? Далее он рассуждает, используя термин «мироздание» там, где мы сказали бы «галактика»: «Поскольку видимое мироздание, вероятно, наполнено звездными системами и планетами-мирами, то, соответственно, неизмеримая необъятность есть безбрежное пространство мирозданий». Другими словами, бесконечная Вселенная содержит неисчислимое количество галактик, подобных Млечному Пути. Он уточняет, что туманности «могут оказаться внешними мирозданиями». Эта мысль влечет за собой размышления о человечестве в космосе:
В этом великом небесном мироздании катастрофа мира, подобного нашему, или даже полное разрушение системы миров может, по-видимому, быть для великого Творца Природы не более чем обыденнейшим случаем в Его жизни, и, по всей вероятности, подобные окончательные и всеобщие концы света могут оказаться в нем столь же частыми, как рождения и смерти для нас на этой Земле.
Из уст верующего в существование Творца это рассуждение звучит несколько неожиданно.
Упомянутые идеи были извлечены из довольно запутанной книги Райта философом Иммануилом Кантом и вдохновили его на попытку продвинуться еще на шаг вперед и объяснить происходящее в наблюдаемой Вселенной терминами законов Ньютона, не прибегая к понятию Руки Божией. К 1755 году Кант закончил книгу, в которой изложил намного более наукообразное понимание туманностей как «островных вселенных» и пояснил, что дискообразные системы звезд выглядят круглыми, если смотреть на них прямо, и эллиптическими под углом. Он поддерживал идею беспредельной, вечной Вселенной и предполагал, что нынешнее ее состояние развилось из некоего исходного вида. К сожалению, эти идеи не получили заслуживающего внимания в его время, поскольку издатель Канта обанкротился и книга так и не была распространена. Внедрил эту идею в умы (и прославился как ее первооткрыватель) Пьер-Симон Лаплас, представивший в своей работе «Изложение системы мира» от 1796 года (и более развернуто в пятом томе знаменитого «Трактата о небесной механике», начатого в 1799 году) так называемую гипотезу туманностей. Он утверждал, что туманности должны содержать миллиарды звезд, подобных светилам Млечного Пути, и что сам Млечный Путь с большого расстояния выглядел бы так же, как эти туманности. Иными словами, наше место во Вселенной вовсе не уникально. Трактат прославился и описанием того, что мы сегодня называем черными дырами, и ответом Лапласа на вопрос Наполеона о том, почему в книге не упоминается Бог: «Sire, je n’avais pas besoin de cette hypothèse-la». Но в конце XVIII века теория и чистый разум еще не могли пойти дальше этого. Теперь были необходимы многочисленные и более точные наблюдения, и в XIX веке они появились, правда, не совсем так, как можно было ожидать.
Шаг вперед и два назад
Первый принципиальный шаг был сделан уже к моменту публикации изысканий Лапласа. В середине 1780-х годов передовой астроном и конструктор телескопов Уильям Гершель сообщил о ряде наблюдений за туманностями через новый зеркальный телескоп. Апертура более 45 см и фокусное расстояние более 6 м делали это устройство самым мощным из существовавших в то время. С его помощью Гершель смог не только разглядеть множество новых туманностей (к 1784 году их число выросло почти до пятисот), но и обнаружить, что некоторые из ранее классифицированных как туманности объектов на самом деле представляют собой скопления звезд. Благодаря схожести с шарами, наполненными звездами, некоторые из этих скоплений получили название шаровых, а другие, менее плотно набитые, сегодня известны как открытые. Все эти скопления должны были относиться к Млечному Пути. Но изначально Гершель не сомневался в том, что остальные туманности лежат вне нашей Галактики. В 1785 году он заявил, что некоторые туманности «могут значительно превосходить наш Млечный Путь в грандиозности», и предположил, что изначально звезды могли распределяться по Вселенной равномерно, но впоследствии объединились в туманности (галактики) под действием гравитации. В 1786 году Гершель писал:
Для обитателей туманностей из этого каталога наша звездная система может выглядеть как небольшое туманное пятно, как вытянутая полоса молочного света, как крупная неоднородная туманность, как очень плотное скопление едва различимых мелких звезд или как огромное собрание крупных разбросанных звезд различных размеров. Конкретный вид будет зависеть от их собственного расположения на той или иной удаленности от нас.
Ученый заявлял, что Млечный Путь наверняка отделен от туманностей большими космическими пустотами, и пытался высчитать размер нашей Галактики.
Его усилия не принесли плодов из-за проблемы, которая мешала астрономам вплоть до XX века. Гершель не знал, что между звездами Млечного Пути есть пыль, мешающая нам видеть свет удаленных звезд. Мы словно окружены прозрачным туманом. Стоя на поле, укутанном дымкой, вы видите во все стороны, но лишь на определенное расстояние, что создает впечатление, будто поле маленькое и круглое. Но если туман рассеется, может оказаться, что поле большое и квадратное, а вы стоите в его углу. Аналогичным образом межзвездная пыль заставляет нас думать, будто мы находимся в центре диска Млечного Пути, но, как станет ясно из дальнейшего повествования, современные наблюдения (в том числе на инфракрасных волнах, способных проникать через пыль) доказывают, что мы расположены достаточно далеко от центра, ближе к краю галактического диска. Тем не менее Гершель предпринял достойную попытку, даже несмотря на слишком заниженную оценку размеров Млечного Пути: диаметр диска он счел равным в современных единицах примерно 2200 парсекам, а толщину – 520 парсекам.
Впоследствии Гершель сделал шаг назад. До этого он признавал, что туманности бывают нескольких видов: некоторые находятся далеко, вне пределов Млечного Пути, другие в его рамках, а некоторые, так называемые планетарные туманности, «оставляют меня почти в сомнениях относительно того, куда их отнести». Планетарные туманности получили такое название потому, что через небольшой телескоп они выглядят как круглые световые пятна, похожие на планеты, а не как точечные источники света, ассоциируемые со звездами. Сегодня мы знаем, что они представляют собой облака материи, отторгнутой звездами на поздних этапах их эволюции, после отхода от главной последовательности. Первым это засвидетельствовал именно Гершель. В 1791 году, наблюдая за туманностью, впоследствии получившей название Хрустальный Шар, или NGC 1514, он заметил нечто похожее на «звезду, заключенную в сияющий флюид, совершенно неизвестной нам природы». По мере обнаружения других подобных объектов Гершель разочаровался в мысли, что туманности представляют собой другие галактики. Его привлекла идея о том, что планетарные туманности могут оказаться точками рождения звезд (что прямо противоположно истине!), и в 1811 году астроном написал, что, хотя до этого он «помышлял, будто туманности есть не что иное, как скопления звезд, скрытые от нас огромным расстоянием», продолжительные изыскания «не допускают общего принятия такого принципа». Следующий гигантский скачок в качестве научных наблюдений еще больше запутал ученых.
В 1845 году Уильям Парсонс, третий лорд Росс, завершил сооружение огромного телескопа в своем ирландском замке Бирр. Из-за размеров этот механизм прославился как «Левиафан» из Парсонстауна и оставался самым большим в мире до строительства 2,5-метрового телескопа Хукера в 1917 году. Зеркало «Левиафана» имело 1,8 м в поперечнике, 13 см в толщину и весило три тонны. Остальные части телескопа были столь же грандиозными. Его труба длиной 16,5 м весила около 12 тонн и устанавливалась под нужным углом к горизонту и в меньших пределах по азимуту. Лорд Росс создал этот телескоп, будучи большим поклонником феномена туманностей и достаточно богатым человеком, чтобы позволить себе любые прихоти. Он решил исследовать максимально возможное число туманностей. Именно Парсонс открыл, что некоторые из них имеют форму спирали, к 1850 году он обнаружил четырнадцать спиральных туманностей, что вынудило его указать в опубликованной Королевским обществом работе, что «по мере накопления наблюдений объект стал, по крайней мере, по моему мнению, еще более таинственным и неприступным».
И действительно, к этому моменту туманности загадали астрономам множество загадок. Одни закручивались спиралью, другие выглядели как скопление планет, а некоторые (как, например, туманность Ориона) казались просто светящимися облаками на Млечном Пути. Лорд Росс решил отказаться от попыток объяснить их сущность. Но прорыв в этой области не заставил себя долго ждать.
Спектроскопия туманностей
Росс умер в 1867-м, а уже в следующем году исследователи Жансен и Локьер обнаружили спектроскопические признаки присутствия гелия в атмосфере Солнца. Тремя годами ранее, в 1864 году, было сделано первое важное открытие в области спектроскопических исследований туманностей. Уильям Хаггинс, еще один астроном-любитель, построивший частную обсерваторию в южной части Лондона, заинтересовался новостью об открытиях Кирхгофа и с помощью своего соседа Уильяма Миллера решил исследовать спектры звезд и туманностей. Они обнаружили сходство между спектрами звезд и Солнца, а в 1864 году Хаггинс опубликовал статью, где описал любопытное наблюдение: в спектре планетарных туманностей не было линий, характерных для звездных спектров, и вообще почти не было линий, словно в спектре простого облака газа. Но в спектрах других туманностей «звездные» линии были, среди них спиральная (как выяснил Росс) туманность Андромеды (М31).
К 1866 году Хаггинсу удалось собрать достаточно данных для прорывного доклада на ежегодном собрании Британской ассоциации содействия развитию науки, проводившемся в тот год в Ноттингеме. Он сообщил, что многие туманности, включая планетарные, состоят из газа, хотя в центре некоторых из них и может находиться одиночная звезда. Но все объекты, изначально определенные как туманности и впоследствии благодаря современным телескопам оказавшиеся звездами (в частности, шаровые скопления), имеют, как легко догадаться, спектр, аналогичный спектру звезды. Важно, что многие из туманностей, которые не удается рассмотреть в телескоп как скопления звезд, в том числе спиральные туманности Росса, имеют спектр, аналогичный спектру шаровых скоплений. Все данные указывают на то, что такие туманности – тоже агломерации звезд, просто находящиеся слишком далеко, чтобы разглядеть в них отдельные светила. Хаггинс не утверждал это прямо, но почти дошел до этого вывода.
Пока астрономы привыкали к мысли, что вне Млечного Пути могут существовать другие галактики – «иные вселенные», технологии продолжали подталкивать их в нужном направлении. Во второй половине XIX века к зрительным наблюдениям за звездным небом добавилась фотография. Вместо того чтобы зарисовывать увиденное, астрономы могли теперь сделать снимок – более точное изображение, которое можно было рассмотреть в удобных условиях. У фото было и другое преимущество. Привыкнув к темноте, глаз может долго следить за объектом, но так и не увидит ничего, кроме того, что сумел разглядеть в первые несколько минут. А фотопластинка продолжает накапливать свет и создавать изображение на протяжении очень долгого времени. Это позволяет замечать больше деталей, чем может различить человеческий глаз, и даже фотографировать то, что мы увидеть вовсе не способны. Если прикрепить к телескопу спектроскопическую камеру, то можно запечатлеть на будущее точные спектры тусклых объектов и изучить их под микроскопом, чтобы исследовать самые мелкие детали линий спектра.
Одним из пионеров этой техники был Юлиус Шейнер, работавший в Потсдамской обсерватории. Он выяснил спектр туманности Андромеды, экспонируя фотопластинку в такой камере в течение семи с половиной часов, и его данные полностью подтвердили открытие Хаггинса. В 1899 году Шейнер сообщил, что поскольку «предыдущие соображения о том, что спиральные туманности, или звездные скопления, теперь нашли подтверждение, сама собой напрашивается идея о сопоставлении этих систем с нашей звездной системой, особенно учитывая ее удивительную схожесть с туманностью Андромеды». Иначе говоря, Млечный Путь и туманность Андромеды оказались спиральными галактиками. Полигон для науки XX века был подготовлен. Следующий ключевой шаг был сделан уже после строительства 2,5-метрового телескопа Хукера на горе Маунт-Вилсон, но даже до этого, в первые два десятилетия нового века, фотография и спектроскопия вызвали новый всплеск интереса к туманностям, особенно спиральным. Астрономы вступили на новый путь открытий – долгий и довольно запутанный.
Первые шаги
По словам Конфуция, путешествие длиной в тысячу миль начинается с первого шага. Этот шаг по дороге от Земли к Вселенной в целом был сделан в 1761 году, когда астрономы использовали наблюдения редкого явления – прохождения Венеры по диску Солнца – и геометрические измерения, чтобы рассчитать расстояние до светила. Для этого надо было точно зафиксировать время наблюдения, в частности моменты, когда Венера будет «касаться» края Солнца, в значительно удаленных друг от друга точках на Земле. Зная расстояние от Земли до Солнца (современные измерения оценивают его в 149,6 млн км), диаметр орбиты Земли (чуть меньше 300 млн км) можно использовать как основу для измерения расстояний до ближайших звезд. Дело в том, что ближайшие светила несколько «сдвигаются» относительно «неподвижных», то есть более далеких, по мере того как Земля движется вокруг Солнца. Этот эффект параллакса можно наблюдать прямо сейчас, вытяните руку и посмотрите на палец то одним, то другим глазом: вам покажется, что он движется. Но сдвиги, измеряемые астрономами, менее заметны. Для сравнения можно взять угловой диаметр Луны, равный 30 угловым минутам или 1800 секундам. Даже для самых близких к нам звезд эффект параллакса намного меньше. Расстояние до звезды, которая сдвинется на одну угловую секунду на фотографиях, снятых с разницей в шесть месяцев, называется парсек (от «параллакс» и «секунда»), оно равно примерно 3,26 световых года. Ближайшая к нам звезда находится в 1,32 парсека (4,29 световых лет), то есть все исследования звезд предполагают наблюдения за их перемещениями менее чем на одну угловую секунду, если округлить, менее чем на одну двухтысячную часть видимой Луны. До появления астрофотографии это, конечно, было невозможно.
Есть и другие, менее точные приемы для определения расстояний до открытых звездных скоплений на основе наблюдений за их движением по небу или интерпретаций описанной ранее диаграммы Герцшпрунга – Расселла. Ключевой шаг на пути к масштабу Вселенной был предпринят в Гарварде в 1912 году Генриеттой Суон-Ливитт – опытной ассистенткой астронома Эдварда Пикеринга. Она окончила учебу в Обществе преподавания наук женщинам (впоследствии колледж Рэдклифф, ныне в составе Гарвардского университета) в 1892 году, накануне своего двадцатичетырехлетия, и через год стала работать в Гарвардской обсерватории под руководством Пикеринга поначалу как волонтер. Она занималась анализом фотопластинок в целях определения величины (яркости) звезд и стала настоящим экспертом в интерпретации поведения неодинаковых по яркости светил и оценке разницы между ними. В 1896 году Суон-Ливитт отправилась на два года в поездку по Европе, а по возвращении Пикеринг предложил ей оплачиваемую работу и она стала полноценным профессиональным астрономом (с зарплатой 30 центов в час), членом специально нанятого «гарема Пикеринга» – коллектива женщин, занимающихся кропотливыми расчетами и систематизацией данных.
Исследуемые Суон-Ливитт переменные звезды изначально считались двойными, а изменения в их яркости объяснялись прохождением одного светила перед другим. Становилось очевидно, что это одинарные звезды, которые действительно со временем изменяют яркость, причем иногда эти периоды длятся много месяцев. Хотя ее работа часто прерывалась из-за болезней, в 1904 году Суон-Ливитт оказалась в нужное время в нужном месте: ей попалась коробка фотопластинок, доставленных в Гарвард из южной наблюдательной станции обсерватории, расположенной в городе Арекипа в Перу. На пластинках были запечатлены две туманности, видимые лишь из Южного полушария и известные как Магеллановы облака; первым европейцем, описавшим их, был Фернан Магеллан. В одной из этих туманностей – Малом Магеллановом облаке – исследовательница быстро обнаружила десятки переменных звезд, а когда в том же году из Перу прибыли новые пластинки, их стало еще больше, и вскоре они исчислялись уже сотнями. В 1908 году Генриетта опубликовала статью, в которой подводила итог проделанной работе, с характерным заголовком «1777 переменных в Магеллановых облаках». Ключевое открытие, прославившее ее, находится в самом конце этой чуть более чем двадцатистраничной статьи: «Стоит отметить, что более яркие переменные имеют больший период».
Как указывает биограф Суон-Ливитт Джордж Джонсон, для астрономии эта фраза имеет такое же значение, как для биологии ремарка Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона в конце их знаменитой работы о ДНК: «От нашего внимания не укрылось то, что специфическое спаривание, которое мы постулировали, одновременно позволяет сделать предположение о механизме копирования генетического материала». Их открытие стало ключом к пониманию сути самой жизни, а открытие Ливитт – ключом к пониманию сути Вселенной.
Ее фраза так важна потому, что если периоды (время, проходящее между пиками яркости) некоторого класса переменных звезд связаны с их яркостью, то для определения яркости достаточно измерить продолжительность периода светила. Однако здесь есть сложность. Это соотношение необходимо калибровать. Нужно найти как минимум одного представителя конкретного семейства звезд, расстояние до которого каким-то образом уже известно. Найдя на Млечном Пути звезды, подобные этим переменным, мы можем с помощью соотношения периода и яркости утверждать, что одна из них, скажем, вдвое ярче другой и потому должна находиться дальше от нас, чтобы выглядеть так тускло, как она смотрится сейчас, но точные расстояния до каждой из них без такой калибровки мы узнать не сможем. Однако если знать расстояния до нескольких таких звезд, можно узнать их абсолютную величину и использовать измерения периодов других членов того же звездного семейства, чтобы измерить их абсолютные величины и сопоставить их с воспринимаемой яркостью, чтобы получить расстояния. В случае с Магеллановыми облаками делать поправку на ухудшение видимости из-за расстояния не приходится, потому что эти туманности (как мы знаем сейчас и как догадывалась Суон-Ливитт и ее современники) находятся настолько далеко от нас, что это ухудшение можно считать единым для всех звезд в этих туманностях. Расстояние от одного края Магеллановых облаков до другого составляет лишь небольшой процент от расстояния от нас до них. Обнаруженное исследовательницей семейство звезд сегодня известно как цефеиды: источником названия послужил классический пример такого светила, находящегося в созвездии Цефея и известного как Дельта Цефея. В 1780-х годах ее изучал английский астроном Джон Гудрайк.
Работа Суон-Ливитт продвигалась чрезвычайно медленно, поскольку она была очень слаба здоровьем, к тому же в 1911 году потеряла отца. Но к 1912 году ей удалось найти в Малом Магеллановом облаке 25 переменных звезд, демонстрировавших четкое соотношение между яркостью и периодом, которое можно было изобразить на простом графике. Этого было бы достаточно, чтобы применить такое соотношение для измерения расстояний по всему Млечному Пути, если бы дистанцию между нами и хотя бы одной ближней цефеидой удалось измерить напрямую. К сожалению, на достаточно близком к нам расстоянии не нашлось ни одной звезды, дистанцию до которой можно было определить с помощью параллакса доступными тогда телескопами, не подошла даже самая близкая Полярная звезда. Поэтому важнейший первый шаг на пути калибровки расстояний до цефеид был сделан (Эйнаром Герцшпрунгом) с помощью более грубой и прямой техники под названием «статистический параллакс». Это ловкий и на удивление точный метод, если применить его к достаточному количеству звезд. Он предполагает довольно пристальное наблюдение за множеством светил, например, в открытом звездном скоплении, чтобы измерить их движение от года к году в угловых единицах. Все звезды движутся примерно в одном направлении, но они приближаются к нам или удаляются от нас с разной скоростью. Она может быть измерена напрямую с помощью уже знакомого нам доплеровского эффекта, а отсюда можно получить представление о масштабе скоростей звезд в отношении друг друга. Логично сделать вывод, что скорость, с которой светила смещаются по небу относительно наблюдателя, в среднем аналогична той, с которой они приближаются или удаляются. Таким образом, вычтя из скорости смещения относительно наблюдателя доплеровское смещение, получаем истинную скорость смещения относительно наблюдателя. А ее уже можно соотнести с углом, на который звезды смещаются каждый год, и получить расстояние до них.
В 1913 году Герцшпрунг применил этот прием, чтобы измерить расстояние до нескольких цефеид, откалибровать шкалу расстояний Суон-Ливитт и определить удаленность от нас Малого Магелланова облака. Он получил ответ в 30 тысяч световых лет (почти 10 тыс. парсек), но из-за опечатки в его статье был опубликован результат в 3000 световых лет. Для астрономов того времени оценка в 30 тысяч световых лет была невообразимо огромной. И хотя по разным причинам впоследствии оказалось, что истинное расстояние почти в десять раз больше, эти измерения положили начало переоценке размеров Млечного Пути и нашего места во Вселенной.
Долгий и сложный путь
К началу XX века в понимании природы Млечного Пути астрономы недалеко ушли от Гершеля, а в чем-то и сделали шаг назад. Поэтому в 1906 году голландский астроном Якобус Каптейн начинал практически с нуля, разрабатывая план исследований структуры Млечного Пути путем подсчета числа звезд с различными величинами, спектральными типами, радиальными (доплеровскими, лучевыми) скоростями и боковым (истинным) движением в различных частях неба. В проекте использовались данные более чем сорока обсерваторий, он шел к завершению больше десяти лет. Но в его вычислениях содержалась серьезная ошибка. Хотя к тому времени было известно, что между звездами присутствует материя, Каптейн недостаточно учитывал вызываемое ею потускнение звезд (межзвездное покраснение); впрочем, этот эффект оставался малоизученным вплоть до 1930-х годов. И когда в 1920 году Каптейн опубликовал результаты, они содержали примерно ту же «туманную» картину окружающего нас мира, которую описывал Гершель, только с большей детализацией. Млечный Путь все еще представлялся ученым звездной системой в виде диска с Солнцем где-то возле его центра. Считалось общепринятым, что если Млечный Путь и не заключает в себе всю Вселенную, то все «внешние» туманности наверняка представляют собой его относительно небольшие и близкие спутники. Но уже к тому времени, когда Каптейн опубликовал свои выводы, картина начинала меняться. Сначала появилось понимание, что Солнце не находится в центре Млечного Пути.
Человеком, осознавшим это, был Харлоу Шепли, работавший тогда в калифорнийской обсерватории Маунт-Вилсона. Он быстро воспользовался открытием Суон-Ливитт о соотношении периода и яркости цефеид, однако сначала зашел в тупик; но мы не будем останавливаться на этом. В 1918 году Шепли сообщил, что ему удалось измерить расстояние до нескольких относительно близких к нам шаровых звездных скоплений с помощью этого соотношения, а используя расстояние, он смог определить яркость (абсолютную величину) самых ярких звезд в этих скоплениях. Они оказались очень близки друг к другу (это неудивительно, поскольку величина звезд имеет ограничения: на каком-то этапе разрастания они взрываются), и ему удалось рассчитать расстояния до других шаровых скоплений, измерив яркость самых ярких звезд в них. Затем, уже с меньшей точностью, он оценил расстояния до еще более удаленных звездных скоплений, предположив, что у них всех сопоставимый диаметр и расстояние до них можно определить по воспринимаемому размеру. Эти измерения не нуждались в серьезных поправках на межзвездное покраснение, поскольку шаровые скопления находятся выше и ниже самой плотной и самой запыленной части нашей Галактики. Изучив распределение шаровых скоплений в космосе, Шепли пришел к выводу, что они образуют сферу с центром в точке, расположенной в направлении созвездия Стрельца. Эта точка, указал он (и был прав), видимо, и есть истинный центр Млечного Пути, в то время как Солнце и его система располагаются на периферии Галактики.
Шепли также использовал измеренные им расстояния, чтобы определить дистанцию от нас до центра Млечного Пути, но здесь он серьезно промахнулся. Сегодня мы знаем, что звезды, использованные им на первом этапе расчетов, были на самом деле не цефеидами, а похожей на них семьей переменных звезд типа RR Лиры. Они более тусклые, чем цефеиды, поэтому расположены ближе, чем думал Шепли. В итоге его вычисления представили нашу Галактику слишком большой. Он полагал, что центр Млечного Пути расположен от нас в 20 тысячах парсеках (примерно 65 тысяч световых лет), а диаметр всего галактического диска составляет около 90 тысяч парсек (300 тысяч световых лет). Это в сто раз больше, чем думали предшественники. Мысль о том, что Галактика столь огромна, придавала вес идее о том, что все прочие туманности – лишь спутники Млечного Пути, и Шепли поддержал эту аргументацию, рассчитав яркость того, что он счел новыми звездами во внешних туманностях.
Новые – это звезды, которые взрываются в конце своей эволюции, перед этим ненадолго начиная сиять намного ярче, чем любые звезды главной последовательности. У яркости новых есть предел, хорошо известный по наблюдениям за ними на Млечном Пути. Если бы спиральные туманности были галактиками, подобными нашей, примерно с таким громадным диаметром, какой рассчитал Шепли, то, чтобы объяснить, почему они выглядят на небе как крохотные пятна, нам пришлось бы согласиться, что расстояние до них составляет сотни миллионов световых лет, а это намного дальше, чем расстояние видимости с Земли даже для новой, если бы она взорвалась. И все же, по сообщению Шепли, в спиральных туманностях наблюдались новые звезды. Если бы они имели ту же яркость, что и новые Млечного Пути, это означало бы, что спиральные туманности расположены непосредственно за внешними границами этой огромной галактики. В итоге выходила картина необъятного Млечного Пути – самой большой агломерации во Вселенной, летящей сквозь пространство в сопровождении эскорта из небольших туманностей и, возможно, постоянно поглощающей их. Но имели ли те новые, что он нашел в спиральных туманностях, ту же яркость, что и новые, обнаруженные на Млечном Пути? К несчастью для Шепли, впоследствии оказалось, что взрывающиеся звезды, которые он заметил во время исследований, были вообще не новыми, а еще более яркими взрывами звезд, неизвестными в то время, – сверхновыми.
С интерпретацией данных, предложенной Шепли, не согласился его соотечественник Гебер Кертис: его картина Вселенной была совсем иной. Два этих мнения были представлены на встрече Национальной академии наук США (NAS) 26 апреля 1920 года и вылились в знаменитый «Большой спор». Он закончился ничем, но задал условия для дальнейшего развития темы строения Вселенной.
Неразрешенный спор
В 1910-х годах, работая в Ликской обсерватории в Калифорнии, Кертис предпринял подробное исследование спиральных туманностей. Опираясь на их число, видимое в телескоп (так называемый рефлектор Кроссли с зеркалом в 91,44 см в диаметре) в разных частях неба, он подсчитал, что всего этому инструменту доступен примерно миллион туманностей. Для астрономов того времени это звучало почти фантастически, но в наши дни известно намного больше галактик. Изучая темные полосы (характерный признак спиральной структуры этой туманности), Кертис заключил, что относительно бедные звездами области Млечного Пути наверняка представляют собой аналогичные участки нашей Галактики, а сама она – просто одна из множества типичных спиральных. К этому выводу он пришел, измерив расстояния до спиральных туманностей на основе своих исследований новых звезд. Случилось так, что новые, которые исследовал он, действительно были аналогичны новым Млечного Пути (вспомним ярчайшие суперновые, смутившие Шепли). Таким образом, Кертис вычислил расстояния от нас до внешних туманностей и даже оказался близок к современным представлениям о них: это десятки миллионов световых лет даже до относительно близких галактик. Он стал верным апологетом идеи «островных вселенных» и писал в вышедшей в 1917 году статье:
Если исходить из равенства абсолютной величины галактических и спиральных новых, то последние, будучи на 10 величин тусклее, находятся примерно в 100 раз дальше от нас, чем первые. Таким образом, спиральные туманности, содержащие новые, находятся далеко за пределами нашей звездной системы, и эти конкретные спиральные туманности, несомненно, исходя из их относительно больших угловых диаметров, наиболее близки к нам.
Пока вроде бы все логично. Но, как и Шепли, Кертис допустил принципиальную ошибку. Он просто не мог – или не хотел – принять оценку Шепли относительно расстояний до шаровых звездных скоплений. Он соглашался, что они должны быть распределены в сферическом объеме с центром, совпадающим с центром Млечного Пути, но полагал, что наша Галактика имеет в диаметре лишь около 30 тысяч световых лет, а Солнце находится примерно в 10 тысячах световых лет от ее центра.
Расхождения между мирами Шепли и Кертиса спровоцировали организованное NASA в 1920 году обсуждение масштабов Вселенной. «Большой спор» был на самом деле совсем не похож на спор, элемент дискуссии в нем был минимальным. Каждый из ученых описал собственный взгляд на Вселенную и опубликовал свою работу, оставляя выбор аудитории и читателям. И, несмотря на название встречи, Шепли в принципе не так уж и интересовался масштабами Вселенной, его волновал преимущественно Млечный Путь. Более того, перед отъездом в Вашингтон на встречу он написал коллеге, что не собирается долго рассуждать о спиральных туманностях: у него недостаточно аргументов, чтобы подтвердить свои идеи. На встрече основная мысль Шепли заключалась в следующем: «Недавние исследования [шаровых] скоплений и связанных с ними объектов, как мне кажется, не оставляют никакой альтернативы мнению, что галактическая система по меньшей мере в десять раз больше в диаметре и по меньшей мере в тысячу раз больше в объеме, чем предполагалось еще не так давно».
Основная цель Кертиса на этом собрании, напротив, состояла в продвижении идеи, что спиральные туманности, независимо от их размера, представляют собой галактики, подобные Млечному Пути. Но он сказал и о том, что «теория островных вселенных имеет косвенное влияние на основной предмет галактических измерений», поскольку:
Если спиральные туманности – это островные вселенные, кажется разумным и наиболее вероятным предположить у них размеры того же порядка, что и у нашей Галактики. Если, однако же, их размеры достигают 300 тысяч световых лет, то островные вселенные должны располагаться на столь громадных расстояниях, что находящимся в этих объектах новым придется обладать невозможно большими абсолютными величинами.
Эти «невозможно большие» величины впоследствии оказались не такими уж невозможными: были открыты сверхновые. Но в 1920 году Кертиса вряд ли можно было упрекать за незнание этого. Он также подчеркнул, что оптический спектр спиральных туманностей тот же, что и общий спектр Млечного Пути.
В одном отношении Кертис, кажется, был несколько более открытым, чем Шепли. Он признавал, что, «конечно, вполне возможно придерживаться и теории островных вселенных, и веры в громадные размеры нашей Галактики, сделав не такое уж невероятное предположение, что наша собственная островная Вселенная случайным образом оказалась в несколько раз больше средней». Именно такой подход (в смягченной форме) владел умами ученых на удивление долго, отчасти, возможно, из-за неосознанного желания считать именно наше место жительства во Вселенной каким-то особенным. Лишь в 1998 году научный коллектив Сассекского университета, в который входил и ваш покорный слуга, опираясь на данные телескопа «Хаббл», раз и навсегда установил, что Млечный Путь – по крайней мере в том, что касается размеров, – совершенно средняя спиральная Галактика.
Измеряя ее, Шепли получил слишком большие числа, а Кертис – слишком маленькие. Но Кертис допустил значительно более серьезную ошибку, поместив Солнце относительно близко к центру Млечного Пути. В отношении природы спиральных туманностей Кертис был прав, а Шепли нет. Но принять верную точку зрения о строении Вселенной астрономам мешала еще одна загадка.
Путаницу, без всякого на то умысла, внес голландский астроном Адриан ван Маанен, работавший в Маунт-Вилсоновской обсерватории вместе с Шепли. Они, как потом выяснится, к несчастью, были друзьями, и идеи ван Маанена в 1920-х годах всерьез влияли на воззрения Шепли. Ван Маанен исследовал спиральные туманности (в частности, известную под кодом М101), используя фотографии, сделанные между 1899 и 1915 годом. Исследователь выявил в этой туманности отличительные черты (яркие пятна света) и сопоставил снимки разных лет, используя прибор, быстро менявший два изображения, чтобы человеческий глаз замечал разницу между ними (так называемый блинк-компаратор). Ван Маанен решил, что в некоторых случаях эти яркие пятна с течением лет немного сдвигаются, то есть что туманности вращаются. Это предполагаемое вращение было медленным: примерно один поворот за 200 тысяч лет (М101 смещалась на 0,02 угловых секунды в год). Если туманности имели тот же размер, что и Млечный Путь, и расстояния, предполагаемые идеей островных вселенных (если смотреть с Земли, то М101 имеет размер примерно в полградуса, сопоставимый с Луной), это означает, что внешний слой туманностей должен двигаться быстрее скорости света! Ван Маанен и вслед за ним Шепли решили, что такой вывод невозможен и доказывает обратное: туманности не могут вращаться быстрее скорости света, следовательно, они должны быть намного меньше, чтобы этот парадокс не возникал, а значит, и намного ближе, относительно недалеко от нас.
Когда другие астрономы попытались воспроизвести результаты ван Маанена, им не удалось это сделать. Но голландец утверждал, что прав, и Шепли верил ему. Никто точно не знает, где именно ван Маанен допустил ошибку, но можно предположить, что, поскольку его наблюдения опирались на измерения внешних областей туманностей, у края обзора прибора, его могла подвести оптика. Или, может быть, он увидел то, что хотел увидеть. Так или иначе, в начале 1920-х годов еще существовало множество сомнений в том, что идея островных вселенных верна. Но владеть умами им оставалось уже недолго.
Разрушение Вселенной
Человеком, который развенчал идею, будто Млечный Путь – самое большое образование во Вселенной, а спиральные туманности – лишь его спутники, стал Эдвин Хаббл – фигура такого размаха (отчасти благодаря его умению подать себя), что его стоит представить как следует.
Хаббл родился в 1889 году, окончил школу и университет в Чикаго. Он был неплохим спортсменом (но не таким хорошим, каким хотел казаться) и, безусловно, лучшим учеником. Он осваивал не только естественные науки и математику, но и французский язык и античную литературу, а затем, после выпуска из университета в 1910 году, выиграл престижное право два года изучать юриспруденцию в Оксфорде. Там он влюбился в тот образ жизни денди, который ярко описан в книгах Вудхауза, и превратил себя в копию английского джентльмена: имитировал британский акцент и усвоил жаргонные словечки, которые вечно раздражали его коллег. Хаббл так и не стал юристом; поработав вместо этого какое-то время школьным учителем и решив семейные проблемы, возникшие после безвременной кончины его отца в 1913 году, он устроился в Йеркскую обсерваторию близ Чикаго астрономом-стажером. Там же в 1917 году он защитил докторскую диссертацию. Хаббл поставил себе цель сфотографировать как можно больше тусклых туманностей с помощью телескопа-рефрактора диаметром один метр, в те годы одного из лучших в мире. Еще до завершения работы ему предложили должность в Маунт-Вилсоне, где вот-вот должен был появиться 2,5-метровый рефлектор. Но в тот год США вступили в Первую мировую войну, Хаббл попросил отложить его трудоустройство до возвращения из армии и отбыл в Европу.
Военная карьера Хаббла не была выдающейся. По официальным записям, он прибыл во Францию буквально накануне окончания войны и ни разу не участвовал в сражениях. В том нет его вины. Тем не менее в дальнейшем Эдвин любил намекнуть, что был ранен, поэтому у него плохо работает локтевой сустав правой руки. Такая проблема у него и правда была, что бы ни было ее истинной причиной. После заключения мира новоиспеченный майор Хаббл (он очень любил, чтобы даже в мирной жизни к нему обращались по званию) сумел задержаться в обожаемой им Англии довольно надолго, чтобы довести до бешенства коллег в Маунт-Вилсоне, где уже давно начали работу на новом телескопе. Вернулся он в сентябре 1919 года, незадолго до тридцатилетия, и какое-то время сотрудничал с Шепли, перебравшимся в Гарвард в 1921 году. Отношения двух астрономов нельзя назвать сердечными: Шепли был простым в общении, а Хаббл донельзя вычурным, к тому же смотрел на Шепли откровенно свысока.
Первой значительной работой Хаббла стало развитие идей его докторской, приведшее к классификации туманностей (галактик) по внешнему виду. Ключевым достижением здесь было разделение их на два типа: уже знакомые нам спиральные и эллиптические, не имеющие спиральной структуры и варьирующиеся по форме от сфер (громадные шаровые звездные скопления) до сигар. Сейчас предполагают, что эллиптические галактики образуются от слияния спиральных. Этим проектом Хаббл занимался до 1923 года и стал настоящим экспертом в применении нового телескопа. А затем он обратил свое внимание на проблему измерения расстояний до туманностей.
Вооруженный двумя лучшими в мире телескопами – 1,5– и 2,5-метровыми рефлекторами, Хаббл располагал всеми возможностями, чтобы проверить идею островной вселенной. Она казалась ему убедительной, но ученый не был готов поддержать ее, не имея надежных доказательств. Он начал поиск новых звезд в туманностях и летом 1923 года обнаружил в неправильной туманности NGC 6822 несколько переменных. Дальнейшие исследования показали, что в ней содержится одиннадцать цефеид, позволяющих оценить расстояние до NGC 6822 примерно в 700 тысяч световых лет. Это было даже дальше, чем размеры супергалактики Шепли. К моменту завершения расчетов Хаббл уже сделал огромный шаг к постижению Вселенной.
Возможно, под впечатлением от открытия цефеид в NGC 6822 Хаббл с еще большим энтузиазмом взялся за поиски спиральных галактик. И 4 октября 1923 года, несмотря на неудобные для наблюдений условия, Хабблу удалось получить через больший телескоп фотографию туманности Андромеды (М 31). На ней через облачную структуру просвечивала яркая вспышка. «Предполагаю новую», – записал он в рабочем дневнике. На следующую ночь астрономические условия были лучше и вспышка на фотографии была все еще видима. «Подтверждаю новую», – записал Хаббл. Более детальное изучение фотопластинки выявило не одну, а целых три предположительные новые. Хаббл начал искать туманность в фотоархиве, чтобы убедиться, что перед ним действительно новые, а не нечто ранее не увиденное. Две звезды действительно оказались новыми. Третья уже присутствовала на ранних фотографиях, но явно не была верно интерпретирована. Ее яркость менялась во времени, это была так называемая переменная звезда. Но переменная какого типа? Чтобы выяснить это, надо было постоянно следить за ней.
В феврале 1924 года постоянный контроль представил Хабблу необходимые доказательства. В течение трех ночей он наблюдал, как звезда удвоила яркость, и смог сопоставить эту информацию с архивными данными и собственными предыдущими наблюдениями, чтобы определить период переменной. Это была цефеида с периодом в 31,415 суток. Девятнадцатого февраля, желая уязвить соперника, он написал Шепли о своем открытии: «Тебе будет интересно узнать, что я нашел переменную цефеиду в туманности Андромеды». Дальше, усугубляя триумф, он указал, что, если использовать то же соотношение, которое Шепли применял для подсчета расстояний до шаровых скоплений, туманность Андромеды должна отстоять от нас на миллион световых лет или больше, если принимать в расчет межзвездную пыль. Это действительно была островная вселенная, подобная Млечному Пути, а сам он, соответственно, был просто одной из галактик, но не всей Вселенной. Вскоре после получения этой новости в лабораторию Шепли зашла Сесилия Пейн-Гапошкина. Она вспоминала, как он говорил ей: «Это письмо разрушило мою вселенную… Я верил результатам ван Маанена… Он же был моим другом».
Для Хаббла следующий шаг был очевиден. Ему предстояло измерить расстояния до максимального числа галактик, а для этого понадобился бы помощник. Новый проект должен был привести к еще более удивительному открытию, но первые шаги на пути к нему были сделаны, когда Хаббл еще не защитил докторскую и, конечно, еще не знал расстояния до М 31.
