Читать книгу "Гонка за Нобелем - Брайан Китинг"

На следующие несколько десятилетий в астрономической науке наступило затишье, пока астрономы не построили еще более мощные телескопы и наконец-то классифицировали туманности на два типа: содержащие отдельные звезды и очевидно состоящие из «млечности», которая не разлагается на отдельные звезды, какие бы сильные телескопы ни использовались.

В 1912 году американский астроном Весто Слайфер вернулся к любимым Галилеем Плеядам и измерил спектр туманности. Чтобы получить спектр, нужно пропустить свет через призму или дифракционную решетку (ее можно сделать, например, из компакт-диска). Проходя через такое приспособление, свет разделяется на составляющие его цвета. Разные атомы производят разные спектры излучения. Например, пары натрия при нагревании дают яркий желтый свет, поэтому их часто используют в лампах для уличных фонарей. Хотя невооруженному глазу этот свет кажется желтым, как и солнечный, если пропустить его через призму, вы увидите преимущественно желтые линии, тогда как солнечный свет состоит из множества цветов. По этой причине ученые называют спектр «химическим отпечатком пальцев», по которому можно довольно точно определить состав источника света.

Когда Слайфер разложил свет, исходящий от туманности Плеяд, цвет за цветом, он обнаружил, что спектр туманности соответствует спектру звезд, окруженных млечным свечением. Слайфер сделал вывод, что эта туманность образована звездным светом — светом от тех же звезд, рассеянным в крошечных зеркалах — частицах пыли.

Эта же пыль была причиной межзвездного поглощения и вызвала ту самую оптическую иллюзию, из-за которой Гершель считал, что мы находимся в галактическом центре. Галилей и Гершель были обмануты одним и тем же миражом. Космическая пыль затуманила первые Великие дебаты — и продолжает оставаться карой небесной для космологов вплоть до наших дней.

Вскоре после того, как была установлена причина межзвездного поглощения, астрономы вернулись к исследованию Млечного Пути в надежде преодолеть иллюзию, жертвой которой пал Гершель, и определить настоящее положение Земли внутри Галактики. Но для этого им потребовалось изобрести новый астрономический инструмент.

Космическая линейка Генриетты Ливитт

В 1918 году астроном Харлоу Шепли обнаружил специфический тип звезд внутри плотного, шаровидного их скопления, известного как шаровое скопление. Эти массивные кластеры, каждый из которых включает больше 100 000 звезд, подобны небесным сундукам сокровищ. В них сокрыты настоящие звездные бриллианты — переменные пульсирующие звезды, носящие общее название «цефеиды». Шепли мгновенно сообразил, что наткнулся на нечто действительно важное, — благодаря работе американского астронома Генриетты Ливитт.

В 1912 году Ливитт объявила о замечательном открытии. Учитывая, что излучаемый цефеидами свет пульсирует с регулярной периодичностью, Ливитт поняла, что предсказуемость изменения блеска можно использовать для измерения расстояния до далеких астрономических объектов. «Легко провести прямую линию между каждой из двух последовательностей точек, соответствующих максимуму и минимуму, — писала она, — тем самым показывая, что есть простая связь между яркостью переменных звезд [цефеид] и их периодами»{11}.

Используя эту зависимость, известную сегодня как закон Ливитт, она установила, что цефеиды функционируют как эталонные небесные хронометры. Период пульсации цефеид непосредственно связан с их светимостью: чем ярче звезда, тем медленнее она пульсирует. Цефеида с однодневным периодом имеет светимость (суммарное излучение энергии за отрезок времени) в сотню раз больше, чем Солнце. Цефеида с пятидневным периодом в десять раз ярче однодневной цефеиды.

«Прямая линия» Ливитт, по сути, стала самой длинной линейкой, придуманной человечеством. Поскольку яркость[15]любого светящегося объекта уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния до него, цефеиды стали для астрономов идеальными ориентирами, с помощью которых можно было измерить расстояние до далеких астрономических объектов. В 1918 году Харлоу Шепли сделал именно это: когда он обнаружил цефеиду с однодневным периодом на неизвестном расстоянии, которая была на четверть ярче, чем цефеида с таким же однодневным периодом, расположенная на известном расстоянии от Земли, он смог рассчитать, что более тусклая цефеида находится вдвое дальше. Это было поразительное открытие: тиканье часов превратилось в отметки на космической линейке, простирающейся далеко за пределы Солнечной системы.

Шепли использовал закон Ливитт для измерения расстояний до нескольких шаровых скоплений. Он определил их местоположение на космической карте и показал, что они никоим образом не центрированы вокруг Солнечной системы. Вместо этого они центрированы относительно некой точки недалеко от созвездия Стрельца, расположенной на расстоянии более миллиона триллионов миль от Земли. Как и Галилей с его наблюдением спутников Юпитера, Шепли использовал небесные объекты, которые не вращаются вокруг нас, чтобы избавить человека от геоцентрических иллюзий. Мы не только не находимся в центре Солнечной системы, но и наша Солнечная система не в центре галактики! Шепли разрешил вторые Великие дебаты в пользу Коперника: мы не привилегированные наблюдатели, а обитатели галактической периферии.

Итак, мы не в центре Млечного Пути. Но по крайней мере Млечный Путь — это все-таки вся Вселенная… Или нет? Конечно, нет.

Вскоре после того, как Шепли нашел настоящий центр Млечного Пути, между ним и астрономом Гебером Кёртисом начались споры о существовании других галактик{12}. Эти споры известны как Большие дебаты. (Но, хотя их так назвали, по сути, это третий этап в нашей серии дебатов о том, занимает ли человечество некое привилегированное место в космосе.)

Дебаты Кёртиса — Шепли стали первой публичной дискуссией в истории астрономии. Они бушевали на протяжении нескольких лет, когда противники атаковали друг друга, публикуя научные статьи. Шепли был загипнотизирован размерами Млечного Пути. По его расчетам, длина нашей Галактики в поперечнике составляла 300 000 световых лет (сегодня мы знаем, что эта цифра в три раза меньше). Поэтому, утверждал он, Млечный Путь — это и есть вся Вселенная.

Как Шепли, этот титан астрономии, ярый сторонник коперниканского принципа, сумевший переместить Солнечную систему из центра Галактики на периферию, мог так заблуждаться? В этом снова была виновата космическая пыль — остатки давно умерших звезд.

Роковой телескоп

Галилеев телескоп положил начало Великим дебатам. Телескоп Гершеля расширил тему дискуссии за пределы Солнечной системы на весь Млечный Путь, поместив нас в привилегированное центральное положение. Гебер Кёртис утверждал, что структура нашей Галактики слишком неоднородна, чтобы быть всей Вселенной. Но это вопроса не решало. Вот если бы ему удалось открыть другую галактику, тогда Кёртис мог бы поставить Млечный Путь на место, сбросив нашу Галактику с трона короля всей Вселенной.