Еще в античную эпоху люди понимали, что звезды — не единственные неподвижные огоньки на небе. Была известна туманная полоса Млечного Пути. Замечали и другие объекты незвездного вида, которые называли туманными звездами или просто туманностями: в «Альмагесте» Птолемея упоминается семь таких объектов. Прежде чем в прошлом столетии тайна туманностей была раскрыта, под названием «туманность» фигурировали объекты самого разного типа. Не было известно, на каком расстоянии они находятся, и никто не знал, действительно ли эти объекты «туманны». Телескоп Галилея показал, что Млечный Путь на самом деле состоит из огромного числа звезд. Но позднее с помощью более крупных и совершенных телескопов было найдено много новых туманностей, которые действительно выглядят туманно.
Первый каталог туманностей был опубликован в XVIII веке. Список Эдмунда Галлея от 1716 года назывался «Описание нескольких туманностей, или светлых пятен, похожих на облака, открытых в последнее время среди неподвижных звезд с помощью телескопа» и содержал всего шесть объектов, демонстрируя, какую скромную роль играли эти туманности в астрономии тех лет. Самый известный каталог того века составил Мессье. Но его появлению мы обязаны… кометам!
Каталог туманностей Мессье.
Эдмунд Галлей определил в 1705 году, что тот объект, который мы сейчас называем кометой Галлея, движется по вытянутой орбите и должен вернуться в 1758 году. После того как эта комета действительно вернулась, поиск новых комет стал очень популярен. Чтобы стать первооткрывателем кометы, нужно заметить ее в тот момент, когда в телескоп она видна как тусклое пятнышко, еще не имеющее хвоста. Поэтому нередко туманности других типов становились источником ложной тревоги.
Чтобы облегчить охоту за кометами, Шарль Мессье (1730–1817) составил список туманностей, которые он и его коллеги случайно замечали в ходе поиска комет. Мессье оказался в Париже в возрасте 21 года, где ему повезло — астроном Жозеф Делиль взял его в помощники. Юноша стал умелым наблюдателем и в 1759 году обнаружил возвращение кометы Галлея (хотя был разочарован, что не первым). За свою карьеру Мессье открыл около двадцати комет, и это принесло ему международную известность. Несколько лет он работал в Париже, в здании, называемом «особняк Клюни»; там он и жил, и проводил наблюдения в обсерватории, возведенной военно-морским флотом. Это здание, первоначально предназначавшееся для монастыря, существует и поныне: в нем музей с прекрасной коллекцией средневековых вещей.
В 1770 году Мессье был избран членом Французской академии наук. Его первый доклад в Академии положил начало его каталогу туманностей, окончательная версия которого от 1781 года содержала 103 объекта. Из них сам Мессье открыл 38 туманностей. Номера из его каталога используются до сих пор для обозначения ярких объектов. Например, Туманность Андромеды часто обозначается как М31 (на рис. 21.1 показан старинный рисунок с изображением этой туманности). В каталоге Мессье дано краткое описание каждого объекта, его номер и координаты. Используя этот каталог, наблюдатель мог убедиться, что видит в телескоп нужный объект.
Рис. 21.1. Первое известное описание галактики Андромеда дал персидский астроном Аль-Суфи (903–986) в своей «Книге о неподвижных звездах». Это объект около рта рыбы, описанный как «маленькое облако».
Мессье очень бы удивился, узнав, что его имя будут вспоминать в связи с этим каталогом. Он не испытывал никакого интереса к природе туманностей. Его страстью были только кометы. К счастью, он послал копию своего списка Вильяму Гершелю, который изучил все эти туманности в свой телескоп и решил расширить список, проводя систематические наблюдения. В течение следующих 19 лет Гершель дополнил каталог Мессье, обнаружив 2500 новых туманностей и звездных скоплений. Мощные телескопы Гершеля отлично подходили для «прочесывания неба» (рис. 21.2).
Рис. 21.2. Телескоп Вильяма Гершеля диаметром 47 см, которым он пользовался для «прочесывания неба».
Труба телескопа фиксировалась в определенном направлении, а вращение неба двигало картину в поле зрения наблюдателя. Гершель провел ревизию неба, диктуя своей сестре Каролине описание каждой туманности, попавшей в поле зрения. Каролина вспоминала об их работе:
«Мой брат начал свою серию прочесываний, когда инструмент все еще был в незаконченном состоянии… Каждую минуту я ожидала треска или падения, зная, что он стоит на пятнадцатифутовой высоте или даже выше, на временной балке… И в одну из ночей, при сильном ветре, только он спустился вниз, как весь прибор рухнул. Позвали нескольких рабочих, чтобы они помогли освободить зеркало, которое, к счастью, не пострадало…»
Сад туманностей.
Заинтересовавшись природой туманностей, Вильям Гершель вначале думал, что все эти размытые объекты являются звездными системами, которые большой телескоп сможет разрешить на звезды. С помощью своего телескопа он действительно проделал это с большинством туманностей из списка Мессье. Он разделял точку зрения Канта, что бледные туманные пятнышки в действительности являются «островными вселенными», то есть системами, похожими на Млечный Путь. Однако Туманность Ориона он не смог разрешить на звезды, хотя это довольно крупная туманность. Гершель решил, что это очень большая звездная система, намного больше Млечного Пути, но такая далекая, что ее звезды невозможно разглядеть по отдельности.
Вера Гершеля в теорию «островных вселенных» сильно пошатнулась в 1790 году. Он открыл туманность, которая не могла быть звездной системой, — «планетарную туманность», известную сегодня как NGC1514, где центральная звезда окружена газовым облаком (рис. 21.3). Если бы ее туманная часть действительно состояла из звезд, то по сравнению с ними центральная звезда должна была бы иметь огромную светимость. Если же в центре находится обычная звезда, то туманная часть должна состоять из невероятно маленьких звезд. Поэтому Гершель решил, что в данном случае туман — это реальное, а не кажущееся явление, обусловленное очень далекими и тесно расположенными звездами. С этого момента он уже не был уверен в природе любой другой «неразрешимой» туманности.
Гершель был не только умелым строителем телескопов и упорным наблюдателем, но и мыслителем. Его вдохновила мысль о том, что туманности могут менять свою форму. Но космическая эволюция протекает очень медленно (или наша жизнь очень коротка!), и мы не можем проследить за звездой или туманностью от момента ее рождения до самой ее гибели. Гершель сравнивал эту ситуацию с садом, где растения одного вида можно наблюдать на разных этапах их жизни — семя, росток, зрелое растение и т. д., — и это можно использовать для реконструкции полного жизненного цикла растения:
«Небеса… напоминают мне великолепный сад, содержащий множество растений, посаженных в разное время и находящихся в разной степени созревания. И мы можем извлечь из этого некоторую выгоду и намного расширить рамки нашего опыта. Ибо, если продолжить сравнение, взятое мною из растительного царства, то не все ли равно, будем ли мы наблюдать последовательно, как росток появляется из-под земли, цветет, одевается листвою, плодоносит, увядает, засыхает и дает жизнь другому ростку, или же одновременно увидим множество растений, находящихся каждое на той или иной стадии развития из всех, через которые растение проходит за время своей жизни?»
Рис. 21.3. Вид планетарных туманностей привел Вильяма Гершеля к заключению, что некоторые туманности действительно «туманны», а не являются далекими звездными системами. На этом фото представлена планетарная туманность М57. Благодарность: Hubble Heritage Team (AURA/STScI/NASA).
Но как в обычном саду обитает более одного вида растений, и у каждого из них свой жизненный цикл, так же существует множество небесных тел совершенно разного типа, которые все вместе невозможно выстроить в единый эволюционный ряд. И даже если бы мы смогли выделить объекты одного типа, различающиеся только по возрасту, то все равно нелегко было бы в правильном порядке расставить кадры того космического фильма, который мы наблюдаем.
Вначале Гершель думал, что все туманности являются звездными системами, а их внешний вид отражает лишь разные стадии эволюции. В юном возрасте туманности могут выглядеть обширными скоплениями разрозненных звезд, а с возрастом они могут сжиматься под действием силы тяготения. Плотные шаровые скопления должны представлять последнюю стадию их эволюции. Когда позднее Гершель понял, что существуют истинно «туманные» туманности, он заключил, что при сжатии этого «тумана» могут рождаться звезды. Рассуждения Гершеля звучат вполне современно, но в то время их почта не обсуждали. Астрономов больше интересовали вопросы, связанные с нашей Солнечной системой, и, в любом случае, никто другой не имел такого же наблюдательного материала и поэтому не мог критиковать выводы Гершеля.
Единственный сын Вильяма Гершеля — Джон Гершель поступил в 1809 году в колледж Святого Джона в Кембридже, а после его окончания был избран для работы в том же колледже. В 1813 году, написав важную статью по математике, он стал членом Лондонского Королевского общества. Вопреки советам отца, он решил стать юристом. «Сколько людей потерпело крах, пытаясь жить честно на этом пути. Даже у священника было бы больше времени для разнообразной культурной деятельности», — сокрушался Вильям. В 1814 году Джон отправился в Лондон для изучения юриспруденции, но через 18 месяцев отказался от этой затеи и вернулся в Кембридж на место учителя и экзаменатора по математике.
Джон Гершель входит в астрономию.
Лето 1816 года Джон провел со своим отцом. Видимо, как раз тогда он и решил заняться астрономией. Его отцу было уже 78 лет, здоровье его ухудшалось, и некому было продолжить его работу. Джон писал своему другу: «В понедельник я поеду в Кембридж, где думаю пробыть достаточно долго, чтобы оплатить счета, собрать свои книги и надолго, а может быть, и навсегда попрощаться с университетом… Я собираюсь под руководством моего отца продолжить серию его наблюдений с того места, на котором он остановится (пока он чувствует себя неплохо и регулярно наблюдает). Кроме того, я собираюсь продолжить начатое им прочесывание неба с помощью его мощных телескопов…»
Его первая большая астрономическая работа — каталог двойных звезд — была оценена очень высоко. В 1833 году Гершель решает поехать в Королевскую обсерваторию на мысе Доброй Надежды в Южной Африке, чтобы составить каталог небесных объектов, ко-торые не видны из Северного полушария. Гершель отправился туда со своей семьей и своим телескопом-рефрактором ДЛИНОЙ 20 футов. В январе 1834 года их корабль добрался до Южной Африки.
В течение 1825–1838 годов Джон Гершель открыл 2200 новых туманностей и звездных скоплений. Он много времени уделял исследованию Большого и Малого Магеллановых Облаков — двум туманностям, которые хорошо видны даже невооруженным глазом на южном небе. В свой телескоп Гершель у видел, что Магеллановы Облака содержат множество звезд, звездных скоплений и туманностей. Другие астрономы заинтересовались этими Облаками намного позже и пришли к важным открытиям. Как уже говорилось, ключ к измерению больших расстояний дали исследования цефеид в Малом Магеллановом Облаке.
В 1838 году Гершель вернулся в Англию. В следующем году из случайной фразы в письме он узнал о работах Дагера по реалистической фотографии. Не зная никаких деталей, спустя несколько дней Гершель сам начал делать фотоснимки. Он смог быстро добиться больших успехов, благодаря опубликованной им в 1819 году работе о химических процессах, связанных с фотографией (рис. 21.4).
Рис. 21.4. Джон Гершель (1792–1871) был сыном Вильяма Гершеля. Он жил в период изобретения фотографии и был одним из пионеров этой техники. Именно он придумал слово «фотография». В астрономии, кроме всего прочего, он открыл 2200 туманностей. Это фото сэра Джона сделано в 1867 году.
В 1842 году Джон Гершель стал ректором колледжа Маришаль в Абердине. В 1850 году он принял пост директора Монетного двора и взялся за его реформу. Этому он отдавал все свое время и силы, поэтому не мог далее продолжать научную работу. Но в 1864 году по своим и чужим наблюдениям туманностей он опубликовал их «Общий каталог» (General Catalogue), содержащий более 5000 объектов.
Между тем Уильям Парсонс, третий лорд Росс, начал в своем поместье Бёр-Касл работу над телескопом с апертурой 6 футов, прозванным Левиафаном, поскольку тогда это был крупнейший телескоп в мире. Член британского парламента с 21-летнего возраста, Парсонс унаследовал титул лорда от своего отца в 1841 году. Горячо интересуясь механическими приборами и обладая массой свободного времени и денег, Парсонс решил проявить свое мастерство в изготовлении телескопов. На протяжении нескольких лет Парсонс экспериментировал с отливкой металлических зеркал. Как и Гершель до него, Парсонс в качестве материала использовал сплав олова и меди. Он дает хорошо отражающую поверхность, но отлить из нее заготовку для зеркала очень трудно. Заготовка легко ломается. При шлифовке зеркала, необходимой для придания ему нужной формы, Парсонс впервые применил паровую машину. Начав с небольших телескопов, Парсонс в конце концов создал в 1845 году свой крупнейший телескоп, зеркало которого имело диаметр 183 см.
Этот гигант собирал гораздо больше света, чем телескопы Гершелей, и позволял более детально рассмотреть туманности. Одним из важнейших открытий Парсонса стала спиральная структура туманности М51, которую именно он увидел впервые. Уже вскоре после начала наблюдений на телескопе Парсонс докладывал, что он «очень четко видел спиральную форму основного ядра, а также спиральность меньшего ядра». Его рисунок туманности был продемонстрирован на собрании Британской ассоциации содействия развитию науки в Кембридже. Это стало сенсационной новостью, и с этого момента центр дискуссии сместился от вопроса «Можно ли разрешить туманности на звезды?» к вопросу об их форме. Вы можете сравнить современную фотографию М51 и рисунок Парсонса (рис. 21.5). За много лет до этого Джон Гершель смотрел на ту же туманность в свой 48-см телескоп, но смог разглядеть только «очень яркое круглое ядро, окруженное на некотором расстоянии туманным кольцом». Парсонс увидел «спиральность» и у других галактик; к 1850 году было известно уже 15 таких объектов, а к концу столетия эта цифра достигла тысячи. Спиральные туманности стали заметным компонентом Вселенной.
Некоторое время помощником лорда Росса в обсерватории Бёр-Касл был молодой датчанин Йохан Людвиг Дрейер (1852–1926). Ис-пользуя гигантский телескоп, он наблюдал туманности. Позже он стал директором обсерватории в городе Арма (Северная Ирландия). Составленный им «Новый общий каталог туманностей и звездных скоплений» (New General Catalogue, NGC) содержит 7840 объектов. Обозначения по каталогу NGC широко используются даже в наше время. Например, Туманность Андромеды (М31) имеет также обозначение NGC 224.
Рис. 21.5. Лорд Росс, Уильям Парсонс (1800–1867)> построил самый большой телескоп своего времени, (а) Туманность М51, расположенная на небе в направлении Ковша Большой Медведицы, при наблюдении в телескоп оказалась спиральной галактикой. (Ь) Сравните рисунок Парсонса 1845 года с фотографией, полученной космическим телескопом «Хаббл». Благодарность: HST/STScI/A URA/NASA/ESA.
Рождение астрофизики.
Как уже говорилось в главе 5, Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен исследовали спектр Солнца и отождествили некоторые линии известных химических элементов. За несколько лет до этого богатый любитель Уильям Хёггинс построил обсерваторию у своего дома близ Лондона. Узнав о работе Кирхгофа, он загорелся идеей расширить спектроскопические исследования, перенеся их от Солнца к звездам и туманностям. Для своего телескопа он изготовил спектроскоп и приступил к наблюдениям (рис. 21.6).
Целый год он изучал спектры звезд, а затем перешел к туманностям. Первой, на которую он навел телескоп, была планетарная туманность в созвездии Дракон. Хёггинс удивился, увидев в ее спектре эмиссионные линии. Согласно закону Кирхгофа, это означало, что источник излучения является газовым. Так Хёггинс доказал предположение Гершеля. Но когда он направил телескоп на Туманность Андромеды, результат оказался совсем иным: спектр был непрерывный, свет распределялся по всем цветам довольно равномерно, как в спектре звезды. Значит, Туманность Андромеды состоит из звезд; это галактика, которая кажется туманной лишь из-за огромного расстояния до нее. Хёггинс нашел способ отличить газообразную туманность от звездной системы. Он изучил спектры шестидесяти туманностей и обнаружил, что треть из них являются газообразными, а остальные — звездными системами.
Рис. 21.6. Уильям Хёггинс (1824–1910) — основатель астрофизической спектроскопии. Он был первым, кто по спектрам звезд измерил их лучевые скорости. Он обнаружил, что спектры планетарных туманностей по наличию эмиссионных линий напоминают спектры газовых облаков.
К концу XIX века стало ясно, что спиральные туманности распределены по небу особым образом. Они почти не обнаруживаются в полосе Млечного Пути, зато их число резко увеличивается с удалением от нее. Наибольшая плотность этих туманностей наблюдается в направлениях, перпендикулярных плоскости Галактики (рис. 21.7). Что бы это значило? Большинство астрономов считали тогда, что эта антикорреляция звезд и туманностей на небе указывает на принадлежность самих туманностей Млечному Пути. Если бы они были «островными вселенными», то откуда взялась бы связь распределения по небу этих туманностей и звезд нашей Галактики? Только позже обнаружилось, что в Млечном Пути очень много пыли и это ухудшает видимость вдоль галактической плоскости. Туманности есть во всех направлениях, но в Млечном Пути мы не видим их сквозь пыль.
Еще одним аргументом против «островных вселенных» стала вспышка новой звезды в Туманности Андромеды в 1885 году. Яркость этой одиночной звезды составила одну десятую яркости всей туманности. Если предположить, что туманность действительно состоит из миллионов звезд, то кажется невероятным, что одна звезда может так ярко светить (о сверхновых звездах тогда не знали). Проще было представить, что Туманность Андромеды состоит из газа и что она внутри нашей Галактики, несмотря на ее непрерывный спектр. К концу столетия считалось, что эта туманность — часть Млечного Пути. Но были и противоположные мнения. Например, Юлиус Шнайдер сфотографировал спектр Туманности Андромеды и нашел в нем темные линии, такие же, как в спектре Солнца. Это был аргумент в пользу звездного состава.
Рис. 21.7. Распределение 11 475 спиральных туманностей по небу, построенное Карлом Шарлье в начале XX века. Совсем мало туманностей лежит в поясе Млечного Пути (горизонтально проходящем через центр).
«Островные вселенные» получают поддержку.
В 1911 году американский астроном Ф. Вери вычислил расстояние до Туманности Андромеды, предположив, что Новая 1885 года имела такую же светимость, как и другая новая в нашей Галактике, расстояние до которой было известно. Расстояние до звезды, вспыхнувшей в Андромеде, у него получилось 1600 световых лет. По некоторым причинам Вери считал, что диаметр нашей Галактики всего 120 световых лет. Сделав правильный вывод из неверных соображений, он заключил, что туманность с непрерывным спектром располагается за пределами Галактики.
Любопытно, что несколькими годами раннее швед Карл Болин сообщил, что измерил параллакс М31. Он пришел к выводу, что компактное ядро туманности имеет годичный параллакс около 0,14", что указывает на очень малое расстояние до него — всего 1/0,14 = 7,1 пк, или 23 световых года. Теперь мы знаем, что истинный параллакс Туманности Андромеды должен составлять порядка 0,000001". Позже Лундмарк предположил, что неверный результат получился из-за технических проблем с телескопом.
К 1917 году в других спиральных туманностях было открыто много вспышек новых. Все они были примерно на десять звездных величин слабее тех новых, которые вспыхивали в Галактике, а это означает, что находятся они в сотни раз дальше. Следовательно, те туманности, в которых обнаруживались вспышки новых, являются независимыми «островными вселенными», похожими на нашу Галактику. Однако эта цепь рассуждений основывается на том, что вспышки новых в туманностях и в Галактике имеют одинаковую яркость, а это еще требовалось доказать.
Уже к 1912 году стало очевидно, что в спектрах всех спиральных туманностей присутствуют темные линии, ясно указывая на то, что эти туманности являются звездными системами. К тому же эти спектральные линии, благодаря эффекту Доплера, можно было использовать для измерения лучевых скоростей (см. главу 12). Первое измерение лучевой скорости яркой звезды (Сириуса) провел Хёггинс еще в 1868 году. Но прошло немало лет, прежде чем такие измерения удалось проделать для спиральной туманности.
Директор обсерватории во Флагстаффе Персиваль Ловелл (1855–1916) заинтересовался теорией о том, что спиральные туманности являются одной из стадий формирования планетных систем. Он попросил одного из своих сотрудников, Весто Слайфера, изучить вращение туманностей с помощью 61-см телескопа и спектрографа. Задача была нелегкой, но у Слайфера имелся опыт исследования вращения планет. В 1912 году Весто смог измерить слабый спектр Туманности Андромеды. Результат оказался совершенно неожиданным: она приближается к нам со скоростью 300 км/с. Столь высокая скорость была неслыханной. Обычно скорости звезд и газовых облаков в Галактике составляют порядка 10 км/с. Сегодня мы знаем, что в значительной степени за эту большую скорость ответственно движение самого Солнца, которое несет нас вокруг центра Галактики, и лишь меньшая часть наблюдаемой скорости относится к реальному движению Туманности Андромеды относительно нашей Галактики.
В 1914 году на собрании Американского астрономического общества Слайфер сообщил об измерении этой и еще 14 других лучевых скоростей. Результаты были приняты с одобрением. Сам Слайфер считал, что его измерения поддерживают теорию островных вселенных: спиральные туманности не могут входить в состав Галактики, поскольку они движутся слишком быстро. У большинства туманностей линии были сдвинуты в красную сторону спектра, то есть эти туманности удаляются от нас. Самая большая скорость среди измеренных Слайфером равнялась 1100 км/с. Этот талантливый, но скромный астроном открыл то, что сейчас называют космологическим красным смещением (рис. 21.8).
Рис. 21.8. Весто Слайфер (1875–1969) измерил скорость Туманности Андромеды по ее спектру и открыл космологическое красное смещение линий в спектрах многих далеких галактик.
К тому же Слайфер обнаружил и то, что он искал: спиральные туманности вращаются, причем типичная скорость их вращения составляет 200 км/с. В 1918 году в обсерватории Маунт-Вилсон Фрэнсис Пиз измерил вращение Туманности Андромеды. Эстонский астроном Эрнст Эпик (1893–1985) сразу же воспользовался этим результатом, чтобы определить расстояние до этой туманности. Он понял, что скорость вращения дает возможность вычислить ее массу в единицах массы Солнца, а отсюда можно установить истинную светимость туманности, предполагая, что она состоит из звезд типа Солнца или похожих на него звезд. Когда он сравнил истинную светимость с наблюдаемым блеском, ослабленным расстоянием, он получил очень большое значение расстояния — 2,5 млн световых лет. Эпик доложил свои результаты на астрономическом совещании в Москве в 1918 году, сразу же после большевистской революции. Его статью в 1922 году напечатал журнал Asfrophysical Journal (но в ней уже было значение 1,5 млн световых лет). Если этот метод был правильным (а он действительно был более или менее верным), то Туманность Андромеды лежала далеко за пределами нашей Галактики.
Этот результат прямо противоречил измерениям голландца Адриана ван Маанена, который объявил, что заметил вращение спиральной туманности М101, отслеживая изменения ее фотографических изображений из года в год. Если его утверждения были бы верными, то туманность должна была бы совершать полный оборот вокруг своей оси всего лишь за 100 000 лет (в космических масштабах это очень короткое время). Но такая туманность должна быть очень маленькой и располагаться внутри Галактики.
«Великий спор».
В начале XX века ведущие центры по изучению туманностей были в Калифорнии: это обсерватории Маунт-Вилсон и Ликская. Последняя была знаменита своим 90-см рефлектором, названным именем британского любителя астрономии Эдварда Кроссли, подарившего этот телескоп обсерватории. Телескоп начал работать в 1895 году и с самого начала использовался для фотографирования туманностей. С 1908 года в обсерватории Маунт-Вилсон был уже 1,5-м телескоп, а самый большой в мире 100-дюймовый рефлектор начал работать в 1918 году. Ему дали имя «Телескоп Хукера» в честь бизнесмена Джона Хукера.
Харлоу Шепли работал в обсерватории Маунт-Вилсон, а другой ведущий астроном Гебер Кёртис (1872–1942) проводил свои наблюдения в Ликской обсерватории. Кёртис фотографировал спиральные туманности, пытаясь найти признаки их вращения, но ничего не обнаружил (в отличие от ван Маанена). Сотрудники Ликской обсерватории отдавали предпочтение теории «островных вселенных»; это касалось и Кёртиса. Рассматривая фотографии спиральных туманностей, он заметил, что в центральной плоскости туманности часто лежит слой пыли, который выглядит как темная линия, когда туманность видна с ребра (рис. 21.9). Если наша Галактика тоже спиральная, то у нее тоже должен быть подобный слой пыли в центральной плоскости. Это должно ограничивать видимость, и мы не должны видеть далекие звездные туманности, за исключением тех, которые располагаются вне пояса Млечного Пути, что и наблюдается в действительности. Кроме того, — утверждал Кёртис, — высокие скорости спиральных туманностей и сопоставление блеска новых звезд свидетельствуют в пользу теории «островных вселенных».
Рис. 21.9. В плоскости спиральной туманности, наблюдаемой с ребра, заметен пылевой слой. Гебер Кёртис пришел к выводу, что странное распределение спиральных туманностей на небе вызвано наличием такого же пылевого моя в нашей Галактике (тоже спиральной). На этом фото представлена видимая с ребра спираль М104 по прозвищу «Сомбреро».
Ранее Шепли тоже поддерживал идею об «островных вселенных». Но, определив, что диаметр Галактики составляет 300 000 световых лет, он посчитал, что легче поместить туманности внутрь этой колоссальной структуры. Шепли не верил в существование космической пыли за исключением отдельных облаков. По его мнению, распределение спиральных туманностей свидетельствует как раз против идеи Кёртиса. Измерения ван Маанена, близкого друга Шепли по Маунт-Вилсон, лишь подтверждали его мнение.
В 1920 году на собрании Национальной академии наук в Вашингтоне состоялась дискуссия между Кёртисом и Шепли. Вначале планировалось обсуждение теории относительности, но эту тему сочли непонятной для большинства участников и ее заменили темой «масштаб Вселенной». Вопреки ожиданиям, «Великий спор» не стал настоящим спором. Просто два джентльмена зачитали приготовленные доклады, подчеркивая аргументы каждый в пользу своей точки зрения. Шепли считал, что диаметр Галактики составляет 300 000 световых лет, а Кёртис — что он не превышает 30 000 световых лет. Сегодня мы принимаем, что диаметр Галактики равен 100 000 световых лет.
Хаббл находит цефеиды.
Каждый из них — и Кёртис, и Шепли — утверждал, что выиграл спор. При этом оба они не знали о работе Эпика, который уже решил этот спор в пользу Кёртиса. К тому же в 1919 году шведский астроном Кнут Лундмарк (1889–1958) в своей диссертации, основываясь на вспышках новых, показал, что расстояние до Туманности Андромеды очень велико. Но решающее доказательство принадлежит Эдвину Хабблу (1889–1953). Он родился в штате Миссури, в семье служащего страховой компании. Когда ему было девять, семья переехала в Чикаго. В 1906 году, когда он окончил школу, директор на прощание сказал ему: «Эдвин Хаббл, я четыре года наблюдал за тобой и никогда не замечал, чтоб ты занимался хотя бы десять минут»; немного помолчав, он продолжил: «Вот тебе стипендия в Чикагский университет». Там Эдвин и получил в 1910 году диплом математика и астронома.
Высокий крепко сложенный молодой человек, Хаббл увлекался боксом и был в баскетбольной команде университета. Сочетание атлетического совершенства с академическими способностями позволило ему получить стипендию Родса в Оксфорде. Там, выполняя обещание, данное умирающему отцу, который не одобрял увлечение Эдвина астрономией, он вместо науки стал изучать римское и английское право.
В 1913 году Хаббл вернулся в Соединенные Штаты. Пройдя соответствующий экзамен, он в течение года без всякого энтузиазма работал юристом в Кентукки, где в то время жила его семья. Позднее он скажет: «Я отказался от права ради астрономии, и я знаю, что даже если бы я стал второсортным или даже третьесортным ученым, главное — я занимался астрономией». Поэтому в 1914 году он вернулся в Чикагский университет, чтобы закончить работу для получения докторской степени по астрономии. Когда в 1917 году он заканчивал подготовку диссертации, его пригласил на работу Джордж Эллери Хейл (1868–1938), директор обсерватории Маунт-Вилсон. Следует отметить, что Хейл был весьма влиятельной фигурой. Он основал три обсерватории: Йерксскую, Маунт-Вилсон и Маунт-Паломар. В первой половине XX века в астрономии доминировала обсерватория Маунт-Вилсон. Благодаря ней астрономы узнали о космической роли галактик. А позже в Паломарской обсерватории была раскрыта природа квазаров. Предложение Хейла давало Хабблу прекрасную возможность для дальнейшей работы.
Но как раз в это время Соединенные Штаты вступили в Первую мировую войну. Просиживая ночи напролет, Хаббл закончил диссертацию, защитил ее и на следующее утро поступил добровольцем на военную службу. Хейлу он отправил телеграмму: «Сожалею, не могу принять ваше приглашение. Я ухожу на войну». В США он вернулся летом 1919 года, уволился из армии и тут же поехал в обсерваторию Маунт-Вилсон.
Вначале Хаббл изучал отражательные туманности — облака межзвездной пыли, отражающие свет близлежащей звезды. Затем он стал использовать 100-дюймовый телескоп для изучения спиральных туманностей. Основываясь на их высокой скорости, в 1917 году Хаббл пришел к выводу, что это «островные вселенные»; затем он стал искать индивидуальные звезды, которые могли бы послужить индикаторами расстояния. Имея большой телескоп, в туманности можно заметить отдельные звезды. Но на больших расстояниях видна только звездная «каша». Следовательно, нужно искать переменные звезды как возможные индикаторы расстояния. Лучшими кандидатами для этой цели должны быть цефеиды.
Вообще-то Хаббл искал вспышки новых, когда в 1923 году обнаружил в Туманности Андромеды цефеиду. Ее слабый блеск говорил о том, что это очень далекая звезда. Хаббл определил, что период цефеиды равен 31 суткам; а затем, используя найденную Шепли зависимость светимости от периода, он смог вычислить ее расстояние, которое оказалось равным 1 млн световых лет. Это подтвердило, что Туманность Андромеды действительно находится вне нашей Галактики. В том же году Хаббл нашел в Андромеде еще девять цефеид, и все они подтвердили это расстояние. Кроме того, он обнаружил цефеиды в спиральной галактике М33 (в созвездии Треугольника, недалеко от Туманности Андромеды, М31). Вычисления показали, что эта галактика расположена на том же расстоянии, что и М31 (рис. 21.10).
Результаты Хаббла, официально доложенные в 1925 году на собрании Американского астрономического общества в Вашингтоне, были встречены с огромным вниманием. Все поняли, что «Великий спор» окончен. Кёртис оказался прав: спиральные туманности действительно находятся вне Млечного Пути и образуют новый мир галактик. Кстати, этот термин предложил Шепли, а Хаббл до конца своих дней называл их внегалактическими туманностями.
Рис. 21.10. Эдвин Хаббл нашел в Туманности Андромеды цефеиды и использовал их для определения расстояния. На этом фото показана примерно в 20 раз более далекая галактика М100, расстояние до которой было определено спустя 70 лет тем же способом. Тогда как обычная звезда на разных фото выглядит одинаково, переменная звезда со временем меняет свой блеск. Благодарность: HST. NASA, W. Freedman (CIW), R. Kennicutt (U. Arisona), J. Mould (ANU).
Классификация галактик по Хабблу.
Классификация объектов исследования считается одной из ключевых задач науки еще со времен Аристотеля. Он понимал, что, сгруппировав природные явления по типам в соответствии с их важнейшими характеристиками, можно многое узнать об окружающем мире. У галактик намного больше свойств, чем может заметить глаз; но даже первое, что видит глаз, — внешний вид галактик, может дать ключ к пониманию их природы. Уже Вильям и Джон Гершели, основываясь на своих наблюдениях в телескоп, начали классифицировать туманности. Позже фотографии показали, что кроме спиралей есть много других типов туманностей. В 1926 году Хаббл пришел к выводу, что большинство галактик можно разделить на два больших класса — спиральные и эллиптические.
Рис. 21.11. (а) Эдвин Хаббл у телескопа, (б) «Камертонная» диаграмма Хаббла с фотографиями соответствующих типов галактик.
Эллиптические галактики (Е, от elliptical) выглядят как довольно однородные сферические или сплющенные пятнышки света, более яркие в центре и тускнеющие к краям. Степень их сферичности обозначается цифрами (Ео) — сферическая, (Е7) — очень сплюснутая. Спиральные галактики делятся на две группы: нормальные спирали (S) и спирали с перемычкой (SB, где В — от bar). У нормальных галактик спирали выходят из центра галактики, а у галактик с перемычкой они начинаются от концов перемычки. В зависимости от компактности спиралей, их делят еще и на подклассы Sa, Sb и Sc (а галактики с перемычкой — SBa и т. д.). Самые плотно закрученные спирали относятся к классу Sa, а самые рыхлые — к Sc. Хаббл выделил еще и промежуточный класс S0 (эс ноль); эти галактики такие же плоские, как спиральные, но при этом почти такие же гладкие, как эллиптические. Все эти типы представлены на «камертонной» диаграмме Хаббла (рис. 21.11).
Наша Галактика относится к типу SBb или SBc; трудно определить ее точную структуру, не имея возможности выйти и посмотреть на нее снаружи. Наблюдение в инфракрасном диапазоне, где искажение пылью не так велико, как в оптическом, показывает наличие перемычки в центре нашей Галактики. Прекрасный образец галактики с перемычкой (NGC 1300) показан на цветной вкладке (фото 20).
Почти каждую галактику можно отнести к одному из типов по Хабблу, так что и сегодня эта классификация весьма полезна. Подобно Гершелю, Хаббл полагал, что выстроенная им последовательность галактик может представлять разные стадии их эволюции. Но теперь мы знаем, что это не так. Тем не менее, кроме своей простоты, эта классификация очень полезна еще и тем, что внешний вид галактики тесно связан с ее физическими характеристиками, которые прямо не видны на фотографии, такими как скорость вращения и масса.
На врезке 21.1 приведены данные о некоторых галактиках — членах, как называл ее Хаббл, Местной группы, в которую входит и наша Галактика (рис. 21.12). Видно, что по сравнению с Галактикой большинство соседних звездных систем имеют малую массу и низкую светимость. Большая часть массы Местной группы заключена в двух ее крупнейших галактиках — в Туманности Андромеды и в нашей Галактике. На врезке 21.1 приведены данные и о других ближайших галактиках разных типов, расположенных по соседству с Местной группой.
Врезка 21.1. Некоторые члены Местной группы и некоторые другие ближайшие галактики.
Современная система классификации — это модифицированная система Хаббла. Промежуточные случаи обозначены двумя буквами: Sab лежит между Sa и Sb. Sd — это самый конец, спирального ряда, после Sc. I — неправильная (irregular) галактика, m — типа Магеллановых Облаков, dE — карликовая эллиптическая (dwarf elliptical) галактика.
Некоторые ближайшие галактики вне Местной группы.
Некоторые из приведенных расстояний определены с большими ошибками, которые отражаются в значениях светимости и диаметра.
Рис. 21.12. Основные галактики Местной группы. Отметим обилие спутников у нашей Галактики и Андромеды.
Закон Хаббла для красного смещения.
Когда в 1914 году Слайфер начал измерять лучевые скорости галактик, для него оказалось полной неожиданностью, что почти у всех галактик линии смещены в красную сторону спектра. Если это красное смещение вызвано движением (эффект Доплера), то похоже, что галактики убегают от нас. Уже в 1917 году Виллем де Ситтер разработал модель Вселенной, основанную на общей теории относительности, которая предсказывала красное смещение для далеких объектов. Эта модель конкурировала со статической моделью Вселенной, разработанной Эйнштейном и не предсказывающей красного смещения. На самом деле это была довольно странная модель: в ней предполагалось, что Вселенная не содержит вещества. Но даже если реальный мир просто «беден» веществом, в нем должен был проявиться «эффект де Ситтера»: красное смещение должно быть больше у более далеких источников света. Это вдохновило астрономов, включая и Эдвина Хаббла, на исследование — зависит ли красное смещение туманностей от расстояния до них.
У Хаббла был способный помощник, легендарный Милтон Хьюмасон (1891–1972), который с помощью большого 100-дюймового телескопа фотографировал спектры галактик (ранее такие измерения проводил Слайфер на 61-см телескопе Ловел-ловской обсерватории). Бросив учебу в школе, Хьюмасон стал погонщиком мулов в обозе, курсировавшем между городком Сьерра-Мадре и горой Маунт-Вилсон во время строительства обсерватории. В 1911 году он женился на дочери инженера обсерватории и стал управляющим на ранчо родственника, но в 1917 году поступил на работу в обсерваторию — сначала привратником, а вскоре был повышен до ночного помощника. В 1919 году директор обсерватории Джордж Хейл узнал о выдающихся способностях Хьюмасона как наблюдателя и перевел его в штат научных сотрудников. Так в конце концов Хьюмасон стал астрономом-самоучкой. За свою карьеру он измерил красные смещения 620 галактик (рис. 21.13).
В 1929 году Хаббл опубликовал свое фундаментальное открытие — зависимость красного смещения галактики от расстояния до нее. Некоторую связь между этими величинами заметил еще Кнут Лундмарк, но работа Хаббла впервые показала, что красное смещение прямо пропорционально расстоянию.
С тех пор этот результат много раз подтверждался наблюдениями более далеких галактик. Если из красного смещения вывести скорость, то эта зависимость примет форму знаменитого закона Хаббла:
Скорость удаления = Постоянная Хаббла x Расстояние.
Широко известная интерпретация этого важнейшего закона гласит, что в мире галактик расстояния действительно увеличиваются, или, попросту говоря, Вселенная расширяется. Заметим, что на самом деле мы не «видим» движение галактик, а определяем его по небольшому сдвигу (красному смещению) спектральных линий (рис. 21.14).
Рис. 21.13. Группа знаменитых ученых у портрета Дж. Хейла в 1931 году. Слева направо: М. Хьюмасон, Э. Хаббл, Ч. Сент-Джон, А. Майкельсон, А. Эйнштейн, У. Кэмпбелл и У. Адамс. Заметим, что Сент-Джон в 1922 году показал, что атмосфера Венеры почти лишена воды и кислорода. Адамс (директор обсерватории Маунт-Вилсон) доказал, что Сириус В — это белый карлик, а Кэмпбелл, глава Ликской обсерватории, был знаменитым специалистом по спектроскопии. С разрешения Библиотеки Хантингтона.
Постоянная Хаббла — очень важная величина для космологии, связанная с размером и возрастом Вселенной. Более того, для большинства галактик мы знаем только их красное смещение. Если известна постоянная Хаббла, то достаточно разделить скорость удаления на эту величину, чтобы получить расстояние. Но чтобы определить саму постоянную Хаббла, мы сначала должны точно измерить расстояния до достаточно большого числа галактик.
Рис. 21.14. Скорости удаления галактик и их расстояния. Точки представляют наблюдения конкретных галактик, а прямые линии — закон Хаббла. Верхняя диаграмма основана на работе Хаббла 1929 года, а внизу современная диаграмма Хаббла для того же интервала расстояний. Заметим, что современные значения расстояний почти в 10 раз больше значений, полученных Хабблом. Это связано с большой систематической ошибкой в старых измерениях.
Как измерять космические расстояния?
Один астроном начал свой обзор по внегалактическим расстояниям так: «Фактически определение расстояний до галактик является неразрешимой задачей». В этой пессимистической фразе есть доля истины, поскольку измерение космических расстояний основывается на сложной цепи слабо связанных между собой методов. Эта цепь начинается с Солнца, затем она взаимно связывает ближние и дальние звезды нашей Галактики, далее следует к ближайшим галактикам и шаг за шагом протягивается ко все более и более удаленным галактикам, образуя лестницу космических расстояний.
Расстояния до ближайших галактик в основном измерены по цефеидам, но на большем расстоянии цефеиды слишком слабы для наблюдения наземными телескопами. Космический телескоп «Хаббл», работающий вне земной атмосферы, за последнее время очень помог в продвижении метода цефеид на большие расстояния, достигнув в 30 раз больших расстояний, чем до галактики Андромеда.
Сверхновые гораздо ярче цефеид: например, сверхновая 1885 года в М31 имела блеск лишь втрое меньше, чем у всей галактики. За последние годы резко увеличилось число открытий далеких сверхновых, а также улучшилась интерпретация их поведения. Поэтому некоторые типы сверхновых стали «стандартными свечами», которые можно использовать для надежного измерения расстояний во Вселенной.
За последние годы разработано много новых методов. Если предположить, что галактики определенного типа имеют известную светимость, то расстояние до них вычислить несложно. К сожалению, нам неизвестны такие «галактики — стандартные свечи». Возьмем, например, галактику Андромеда и два ее спутника — М32 и М110, представленные на цветной вкладке. Если бы все галактики имели одинаковый размер, то надо было бы заключить, что спутники расположены гораздо дальше Андромеды. Так что определение расстояний до галактик по их размеру или блеску очень ненадежно. Лучше вернуться к методу Эпика, который определил расстояние до галактики Андромеда, используя скорость ее вращения для оценки светимости. В современном виде это называется методом Талли-Фишера; он дает значения расстояний с ошибкой менее 30 %. Измерять скорости вращения проще, используя радиотелескоп. Почему вращение позволяет определить истинную светимость галактики? Потому что чем массивнее галактика, тем быстрее она вращается; а раз она более массивная, то в ней больше звезд и сильнее звездное излучение. За последнее время методом Талли-Фишера измерены расстояния до тысяч галактик.
Нужно отметить одну щекотливую проблему всех методов, использующих «стандартную свечу». Вызвана она тем неудобством, что астроном не может передвигаться между галактиками, а вынужден оставаться на одном месте — в Солнечной системе. Когда для исследования выбираются галактики, то неизбежно возникает тенденция учитывать тусклые галактики в ближнем пространстве и все более яркие на более далеких расстояниях. В результате это приводит к ошибке, названной «сдвиг Малмквиста» (Malmquist bias), которую впервые обсуждал шведский астроном Гуннар Малмквист (1893–1982) в связи с исследованием звезд. Многие базы астрономических данных могут быть искажены этим эффектом. Это преуменьшает расстояния, поэтому значение постоянной Хаббла (= скорость/расстояние) становится больше.
Врезка 21.2. Постоянная Хаббла, шкала расстояний и возраст Вселенной.
Постоянная Хаббла (Н) тесно связана со шкалой расстояний и с возрастом расширяющейся Вселенной. Расстояние R до галактики, скорость удаления которой равна V, составляет V/Н (из закона Хаббла). Следовательно, чем меньше постоянная Хаббла, тем больше расстояние, вычисленное по скорости (то есть по красному смещению). Связь с возрастом также нетрудно проследить. Предположим, что на протяжении всей истории Вселенной скорость V взаимного удаления двух галактик оставалась постоянной. Тогда понятно, что некоторое конечное время тому назад эти две (да и все остальные) галактики были очень близки друг к другу. Это время, или «возраст Вселенной», определяется с помощью элементарной математики — делением современного значения расстояния R между галактиками на их взаимную скорость V. Легко видеть, что отношение R/V равно 1/H. Следовательно, вычисленный возраст Вселенной обратно пропорционален принятому значению постоянной Хаббла.
Современные измерения показывают, что постоянная Хаббла равна примерно 70 км/с на 1 Мпк, то есть при расстоянии между галактиками в 1 млн парсеков (3,26 млн световых лет) они удаляются друг от друга со скоростью около 70 км/с. Удобно помнить, что скорость в один километр за секунду соответствует расстоянию в один парсек за миллион лет. Тогда со скоростью 70 км/с для удаления на один парсек потребуется 14 000 лет, а на миллион парсеков —14 млрд лет. Получается, что возраст Вселенной, с того момента, когда галактики «сидели на голове друг у друга», составляет около 14 млрд лет. Точное значение возраста зависит от того, увеличивались или уменьшались скорости галактик с момента Большого взрыва (этот вопрос обсуждается в главе 23).
В первой половине XX века считалось, что постоянная Хаббла примерно в 7 раз больше современной оценки (рис. 21.15). Поэтому вычисленный возраст Вселенной получался равным всего 14/7 = 2 млрд лет.
Рисунок 21.15 показывает, как изменялась оценка постоянной Хаббла за последние десятилетия. Вид этой зависимости говорит о трудностях при измерении расстояний до галактик. В основном с эффектом Малмквиста было связано расхождение между двумя «школами» астрономов, возникшее в 1980-е годы. Жерар де Вокулёр и его коллеги предпочитали значение Н около 100, а «старейшина современной наблюдательной космологии» Аллан Сэндидж и его давний европейский коллега Густав Тамман получали значение близкое к 55 (постоянная Хаббла измеряется в единицах «км/с на Мпк», Мпк = 1 млн парсеков). Позже это разногласие удалось преодолеть. В общем, большое различие полученных значений постоянной Хаббла показывает, что измерение космических расстояний — это нелегкое искусство. Сейчас развито несколько особых методов, обходящих привычную лестницу расстояний и свободных от сдвига Малмквиста. Они дают значения от 60 до 80. Во врезке 21.2 коротко описано, как значение постоянной Хаббла связано с размером и возрастом расширяющейся Вселенной.
Рис. 21.15. Наилучшие значения постоянной Хаббла в прошедшие десятилетия. Эта эволюция свидетельствует о трудностях измерения расстояний до галактик. Последние две точки определены по наблюдениям космического телескопа «Хаббл».
Примером того, насколько сложно измерить расстояние даже до соседней галактики, служит «изменение» расстояния до Туманности Андромеды. В табл. 21.1 показаны некоторые результаты, полученные за последнее столетие.
Таблица 21.1. Измеренные расстояния до галактики Андромеда.
Некоторые из методов указанных авторов обсуждаются в тексте.
И все же она движется!
Мы уже упоминали об уверенности ван Маанена в том, что он обнаружил вращение некоторых спиральных галактик по фотографиям, полученным в разное время. Его сообщение служило важным аргументом в период споров о расстояниях до спиральных туманностей. Но сейчас-то мы знаем, что заметить вращение галактик он никак не мог. На один оборот вокруг оси галактика тратит от 100 млн лет и более. Ван Маанен ошибался не умышленно; он очень аккуратно измерял движения звезд. Более вероятно, что здесь мы имеем дело с так называемой личной ошибкой (personal bias). Когда человек пытается заметить очень маленький эффект, то он сам не осознает, как подсознательно ожидание «того, что нужно увидеть» берет верх и влияет на измерения.
Но, с другой стороны, доплеровское смещение линий в спектрах показывает, что галактики действительно вращаются. В 2005 году, спустя 80 лет после измерений ван Маанена, международная группа астрономов под руководством Андреаса Брунталера и Марка Рейда смогла зарегистровать вращение галактики М33, входившей в список ван Маанена. Но это вращение было обнаружено не по фотографии, а путем наблюдения за гигантскими мазерными источниками на молекулах водяного пара в газовых облаках М33. Эти естественные мазеры (похожие на лазеры) интенсивно излучают в одном направлении и в очень узком диапазоне радиочастот. Их положение (и его изменение) можно точно измерить с помощью используемой радиоастрономами «интерферометрии с очень длинной базой». В этой работе были применены 10 больших радиоантенн, размещенных в разных областях США и управлявшихся из Национальной радиоастрономической обсерватории (ИКАО). Астрономы смогли измерить очень маленькое смещение на небе двух водяных мазеров в спиральных рукавах М33 — всего на несколько миллионных долей секунды дуги в год. Это смещение указывает на вращение галактики (рис. 21.16), как и ожидалось по независимым спектроскопическим (эффект Доплера) данным. Эти же измерения позволили вычислить и расстояние до М33, которое оказалось почти таким же, как расстояние до галактики Андромеда, что согласуется с результатами других методов и говорит о том, что эти члены Местной группы находятся сравнительно недалеко друг от друга.
Рис. 21.16. Вращение галактики М33 было определено по наблюдениям еле заметного движения на небе гигантских мазеров на молекулах водяного пара. Стрелки показывают направление и относительную величину измеренного смещения. Эту галактику в созвездии Треугольник иногда называют «Вертушкой» или «Шутихой». С любезного разрешения Travis Rector.
Аллан Сэндидж (рис. 21.17) любит повторять: «То, что кажется таким простым, часто осложнено своими ужасными деталями». Мы старались уберечь читателя от ужасных деталей напряженной битвы за построение шкалы космических расстояний. Поднявшись по ступеням этой «лестницы», человечество смогло полнее осознать свою незначительность в масштабе Вселенной, увидеть все разнообразие похожих на наше Солнце звезд и почувствовать всю глубину древности нашего мира. Еще одно приложение шкалы расстояний — это космическая картография, или «география» Вселенной, которую мы обсудим в следующей главе.
Рис. 21.17. Аллан Сэндидж продолжил работу Хаббла, занимаясь наблюдательной космологией и тщательно исследуя с помощью больших телескопов фундаментальные проблемы возраста, размера и геометрии Вселенной. За свои достижения он был награжден престижными премиями Кроуфорда и Грубера. С любезного разрешения Библиотеки обсерваторий Института Карнеги в Вашингтоне (Пасадина).