Книги
Всё из ничего
Поскольку в те дни превалировало представление о Вселенной, в которой нет ничего, кроме нашей Галактики, большинство астрономов принадлежало к лагерю «в нашей Галактике», который возглавлял знаменитый гарвардский астроном Харлоу Шепли. В школе он проучился всего пять классов, а потом занимался самообразованием и в конце концов поступил в Принстон. Шепли решил изучать астрономию просто потому, что в учебном плане этот предмет стоял первым пунктом. В своих фундаментальных трудах он показал, что Млечный Путь гораздо больше, чем считали раньше, и что Солнце находится отнюдь не в его центре, а в захолустном, ничем не примечательном уголке. В астрономии Шепли обладал непререкаемым авторитетом, поэтому его воззрения о природе туманностей имели большой вес.
В первый день нового 1925 г. Хаббл опубликовал результаты двухлетних исследований так называемых спиральных туманностей, где сумел выявить переменные звезды особого рода – цефеиды. В число этих туманностей входила и та, которую мы теперь знаем как туманность Андромеды[5].
Цефеиды, впервые описанные еще в 1784 г., – это звезды, чей блеск меняется регулярным образом. В 1908 г. в Гарвардскую обсерваторию на должность вычислителя была принята никому не известная и в тот момент недооцененная женщина, желавшая стать астрономом, по имени Генриетта Суон Ливитт. (Вычислителями называли женщин, которые составляли каталог блеска звезд, заснятых на фотопластинки обсерватории; использовать телескопы женщинам в те годы не разрешалось.)
Генриетта, дочь священника конгрегационалистской церкви и прямого потомка первых переселенцев, сделала поразительное открытие, о котором и заявила в 1912 г.: она заметила, что между блеском цефеид и периодом его изменения существует прямая зависимость. То есть если удастся определить расстояние до какой-то одной цефеиды с известным периодом (а это было сделано вскоре, в 1913 г.), то, измерив блеск других цефеид с таким же периодом, можно будет определить расстояние и до них!
Поскольку наблюдаемая яркость звезд обратно пропорциональна квадрату расстояния до звезды (свет распространяется равномерно по сфере, чья площадь увеличивается пропорционально квадрату расстояния, поэтому, когда свет распределяется по большей сфере, его наблюдаемая интенсивность в любой точке будет обратно пропорциональна площади сферы), то определение расстояния до далеких звезд всегда было серьезным вызовом для астрономов. Открытие Ливитт произвело настоящий переворот в этой области. (Сам Хаббл, которому не досталось Нобелевской премии, часто говорил, что труды Ливитт ее заслуживают, но он был человеком довольно-таки эгоистичным и, вполне вероятно, утверждал так лишь потому, что сам являлся естественным претендентом на разделение премии с Ливитт за дальнейшие свои работы.) В Шведской королевской академии наук даже готовили документы, чтобы номинировать Ливитт в 1924 г., но тут стало известно, что она умерла от рака за три года до этого. Благодаря силе личности, склонности к саморекламе и таланту наблюдателя Хаббл сделал из своего имени настоящий бренд, а имя Генриетты Ливитт, увы, известно лишь тем, кто увлекается историей астрофизики.
Опираясь на свои измерения цефеид и на соотношение периода и блеска, которое обнаружила Ливитт, Хаббл сумел определенно доказать, что цефеиды в туманности Андромеды и в нескольких других туманностях так далеки, что не могут находиться в пределах Млечного Пути. Выяснилось, что Андромеда – это другой «остров», другая спиральная галактика, хотя и очень похожая на нашу, одна из более чем 100 млрд других галактик, которые, как мы теперь знаем, существуют в наблюдаемой Вселенной. Результаты Хаббла не вызывали сомнений – настолько, что астрономическое сообщество, в том числе и Шепли, который, кстати, к этому времени уже стал директором Гарвардской обсерватории, где Ливитт сделала свое поразительное наблюдение, быстро смирилось с тем, что Млечный Путь – это далеко не весь окружающий нас мир. Размер известной нам Вселенной за один миг вырос на величину, намного большую, чем за все предшествующие столетия! Более того, изменилась архитектура Вселенной, как практически и все остальные ее характеристики.
После этого сенсационного открытия Хаббл мог бы почивать на лаврах, но его интересовала рыбка покрупнее, а именно более крупные галактики. Измерив тусклые цефеиды в более далеких галактиках, Хаббл смог составить карту Вселенной на еще больших масштабах. А сделав это, он открыл кое-что, и это оказалось даже интереснее: Вселенная расширяется!
Этот результат Хаббл получил из сравнения расстояний до галактик, которые определил он, с другим набором измерений американского астронома Весто Слайфера, который измерил спектры излучения, приходящего от этих галактик. А чтобы разобраться, откуда взялись эти спектры и какова их природа, нам с вами придется вернуться к самым истокам современной астрономии.
Одно из важнейших открытий астрономии – то, что вещество звезд и вещество Земли по большей части одинаково. Все началось с Исаака Ньютона, как и очень многое в современной науке. В 1665 г. Ньютон, тогда еще совсем молодой ученый, пропустил через призму тоненький лучик света – чтобы получить его, он полностью затемнил комнату и проделал дырочку в ставне – и увидел, как солнечный свет разложился на знакомые всем цвета радуги. Ньютон заключил, что белый солнечный свет содержит все эти цвета, и был прав.
Прошло 150 лет, и другой ученый[6], более тщательно исследуя разложенный в призме свет, обнаружил среди цветов темные полосы и предположил, что это вызвано присутствием во внешней атмосфере Солнца материалов, которые поглощают свет определенных цветов или длин волн. Эти так называемые линии поглощения можно было идентифицировать, зная длины волн света, которые, как показали лабораторные измерения, поглощаются теми или иными элементами на Земле, в том числе водородом, кислородом, железом, натрием и кальцием.
В 1868 г. еще один ученый обнаружил две новые линии поглощения в желтой части солнечного спектра, которые не соответствовали никаким известным на Земле элементам. Он решил, что это, наверное, след какого-то нового элемента, который назвал «гелий»[7]. Спустя поколение гелий нашли и на Земле.
Изучение спектров излучения, приходящего от других звезд, – важный инструмент, позволяющий многое узнать об их составе, температуре и эволюции. Начиная с 1912 г. Слайфер наблюдал спектры света, исходящего от различных спиральных туманностей, и обнаружил, что они похожи на спектры близких звезд, с тем лишь исключением, что все линии поглощения сдвинуты на одну и ту же длину волны.
К тому времени стало понятно, что это вызвано всем известным эффектом Доплера: он назван в честь австрийского физика Кристиана Доплера, который в 1842 г. объяснил, что волны, приходящие от движущегося источника, растягиваются, если источник удаляется, и сжимаются, если он приближается. С проявлением этого эффекта мы все прекрасно знакомы, и мне всегда вспоминается карикатура Сидни Харриса: два ковбоя в прерии глядят на проезжающий вдали поезд, и один говорит другому: «Ах, как я люблю слушать этот одинокий гудок паровоза, когда величина его частоты меняется из-за эффекта Доплера!» В самом деле, и гудок поезда, и сирена скорой помощи звучат выше, когда поезд или машина приближаются, и ниже, когда они удаляются.
Оказывается, то же самое происходит не только со звуковыми волнами, но и со световыми, хотя и по несколько иным причинам. Световые волны от удаляющегося источника – вследствие его локального движения в пространстве или же расширения пространства, разделяющего источник и наблюдателя, – растягиваются и поэтому кажутся боле красными (поскольку красный цвет расположен на длинноволновом краю видимого спектра), а волны из приближающегося источника сжимаются и кажутся более синими.
В 1912 г. Слайфер заметил, что линии поглощения от света, исходящего от спиральных галактик, почти всегда систематически сдвинуты в сторону более длинных волн (но у некоторых галактик, в том числе и той, что в Андромеде, свет сдвинут в сторону более коротких волн). Он сделал совершенно правильный вывод, что большинство этих объектов удаляются от нас, причем со значительной скоростью.
Хаббл сумел сравнить свои данные о расстояниях до этих спиральных галактик (именно так их теперь приходилось классифицировать) с данными Слайфера о скоростях, с которыми они удаляются. В 1929 г., при содействии сотрудника обсерватории Маунт-Вилсон Милтона Хьюмасона (наделенного такими инженерными талантами, что его приняли на работу в обсерваторию, хотя у него не было даже аттестата о среднем образовании), он объявил об открытии примечательного эмпирического соотношения, которое теперь носит название «закон Хаббла»[8] – линейной зависимости между скоростью удаления галактики и расстоянием до нее. Таким образом, чем дальше от нас галактики, тем быстрее они удаляются!
Когда впервые сталкиваешься с этим удивительным фактом – что почти все галактики удаляются от нас, и те, которые в два раза дальше, движутся в два раза быстрее, а те, которые в три раза дальше, в три раза быстрее, – вывод, казалось бы, напрашивается сам собой:
Как говорят некоторые мои друзья, хорошо бы, чтобы лично мне кто-нибудь ежедневно напоминал, что
Я пытался объяснить этот процесс разными способами и, честно говоря, думаю, что понять его все равно не получится, если не умеешь смотреть на все снаружи – снаружи во вселенском масштабе. Чтобы понять, о чем говорит закон Хаббла, нужно скинуть шоры нашей Галактики и взглянуть на Вселенную извне. Посмотреть снаружи на трехмерную Вселенную трудно, а на двумерную – уже проще. Ниже я нарисовал расширяющуюся Вселенную в два разных момента времени
А теперь представьте себе, что вы живете в одной из галактик со второго рисунка – я отметил белым – в момент времени