«Мерные масштабы» и другие инструменты астрономов

Начнем с расстояний. Несомненно, измерение расстояний в миллионы световых лет и более является чудом современной науки.
Еще в начале нашего века об измерении подобных расстояний не было и речи. Как же, с какими «мерными лентами» удалось пробиться сквозь эти невообразимые дали?
Это был очень трудный научный путь. Шаг за шагом, ступенька за ступенькой удавалось постепенно продвигаться в измерении все более далеких расстояний. При этом следующий шаг всегда основывался на успехах предыдущего.

Первая серьезная ступенька была преодолена еще в середине прошлого века. Расстояния до трех близких к нам звезд были измерены практически одновременно в России, Германии и Африке. Суть метода этих измерений в принципе такая же, как и в измерении расстояний на Земле с помощью дальномера. Дальномеры теперь встроены даже в фотоаппараты и поэтому знакомы каждому. Принцип работы такого прибора состоит в том, что направление на рассматриваемый предмет несколько различно для разных окошечек дальномера. Если известно расстояние между окошечками и угол изменения направления, то легко рассчитывается расстояние по правилам тригонометрии. В дальномере этот расчет выполняет простейшее механическое устройство. Чем дальше предмет, тем на большее расстояние надо разнести окошечки дальномера, чтобы измерение было достаточно надежным. Расстояние между окошечками называют базисом, а сам способ получил название тригонометрического. При измерении расстояний до звезд роль базиса играет диаметр земной орбиты вокруг Солнца. Изменение направления на звезду измеряется с интервалом в полгода из диаметрально противоположных точек земной орбиты. Но даже при таком огромном базисе изменение направления на ближайшие звезды меньше одной угловой секунды дуги, и требуется большая тщательность и высокое искусство измерений.

Выяснилось, что даже ближайшие звезды удалены от нас на расстояние больше светового года.
Со времени первых измерений расстояний до звезд прошло больше столетия. Несмотря на огромный прогресс в технике и методах измерений, и сейчас с помощью тригонометрического метода можно уверенно определять расстояние до звезд не больше ста световых лет.
До границ Галактики при этом еще невообразимо далеко, а о других галактиках и говорить не приходится.
Следующий огромный шаг по лестнице, ведущей вдаль, был сделан уже в начале нашего столетия, и его помогли сделать звезды, систематически меняющие свой блеск, — переменные звезды.
Начало было положено американским астрономом Генриеттой Ливитт, изучавшей переменные звезды в одной из ближайших к нам галактик — Малом Магеллановом Облаке, видимом на южном небесном полушарии.
Через несколько лет после начала исследования она выяснила любопытнейший факт. Двадцать пять звезд оказались переменными, строго периодически меняющими свой блеск. Причем чем больше был период изменения блеска, тем ярче была сама звезда! Г. Ливитт пришла к замечательному выводу: «Так как эти переменные звезды, вероятно, находятся на одинаковом расстоянии от Земли (потому что все они находятся в одной галактике — Малом Магеллановом Облаке. — И. Н.), их периоды, очевидно, связаны с количеством излучаемого ими света».
Значение этого открытия трудно переоценить. По периоду изменения яркости можно узнать светимость звезды.
Мы знаем, что видимый блеск звезды на небе ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния до нее. Сравнивая истинную светимость звезды с видимым блеском, можно вычислить расстояние!
Правда, для того, чтобы можно было по периоду изменения блеска звезд, изученных Г. Ливитт, вычислять расстояние, надо знать истинную светимость хотя бы одной такой звезды.
Первая попытка это сделать была предпринята Э. Герцшпрунгом. Он понял, что звезды, наблюдаемые Г. Ливитт в Малом Магеллановом Облаке, точно такие же, как хорошо известные переменные звезды, называемые цефеидами, в нашей Галактике. Блеск цефеид меняется из-за того, что они пульсируют. Теперь надо было определить истинную светимость хотя бы одной цефеиды. Вот тут-то и начались серьезные трудности. В окрестности Солнца нет ни одной цефеиды, расстояние до которой надежно можно было бы определить тригонометрическим способом и, зная ее видимый блеск и расстояние, вычислить истинную светимость.
Начались многочисленные попытки определения расстояний до цефеид нашей Галактики. Первая оценка была сделана самим Э. Герцшпрунгом. Мы не будем описывать здесь суть используемых при этом хитрых косвенных методов. Отметим только, что и первая, и многие последующие попытки были столь трудны, что привели к результатам, содержащим значительные ошибки. Эти ошибки были окончательно выявлены только в начале 60-х годов. Но работа эта настолько важна (речь идет об измерении масштабов Вселенной!), что уточнения продолжаются до сих пор.
После того как установлена истинная светимость хоть одной цефеиды с известным периодом изменения блеска, стало возможным измерять расстояние до любой цефеиды. Действительно, теперь известна зависимость «период — истинная светимость» для цефеид. Для определения расстояния до любой цефеиды достаточно по наблюдениям определить период изменения ее блеска, затем по зависимости найти истинную светимость и, сравнивая с видимым блеском, вычислить расстояние. Если цефеида входит в состав какого-либо скопления звезд или галактики, то тем самым определяется расстояние и до них.
Цефеиды здесь используются как «стандартные свечи», истинная яркость которых известна. Поэтому и весь метод получил название метода «стандартной свечи».
Роль цефеид в измерении расстояний столь велика, что известный американский астроном X. Шепли назвал их «самыми важными» звездами.
Истинная светимость цефеид очень велика — они в тысячу раз ярче Солнца. Поэтому цефеиды видны с достаточно больших расстояний, вплоть до 15 миллионов световых лет. Значит, с их помощью можно определять расстояние до ближайших галактик.
Но нас интересуют еще большие масштабы!
Для дальнейшего продвижения приходится делать еще один шаг. Хотелось бы найти «стандартные свечи» более яркие, чем цефеиды, и хорошо видимые с еще больших расстояний. Оказалось, что такие «свечи» есть. Вокруг галактик обычно наблюдается много звездных скоплений, которые за свою форму получили название шаровых.
Когда с помощью цефеид были определены расстояния до ближайших галактик, сравнили истинные светимости шаровых скоплений вокруг разных галактик. Оказалось, что если выбрать вокруг каждой галактики ярчайшее шаровое скопление, то истинная светимость этих ярчайших скоплений практически одинакова для всех галактик.
Значит ярчайшие шаровые скопления вокруг галактик можно использовать как «стандартную свечу», причем более яркую, чем цефеиды.
Этим методом можно измерять расстояние вплоть до шестидесяти миллионов световых лет. А это значит, что можно измерить расстояние уже до ближайших скоплений галактик. Дальше, увы, шаровые скопления различать пока невозможно.
Следующая ступень — использование еще более яркой «стандартной свечи». Выяснилось, что в разных скоплениях галактик ярчайшие галактики имеют одинаковую светимость — примерно в десять раз больше светимости нашей Галактики.
Эти ярчайшие «стандартные свечи» позволяют продвигаться уже на миллиарды световых лет.
Такова «лестница масштабов», используемая астрономами на пути в глубь Вселенной.
А как измеряют скорости движения далеких объектов?
Разумеется, на расстояниях не только ближайших к нам галактик, но и более отдаленных не заметны никакие перемещения звезд и других объектов на фоне неба, по которым можно было бы вычислить скорость перемещения их в пространстве поперек луча зрения.
Единственное, что можно измерить, но зато сравнительно просто и надежно, это скорость приближения к нам или удаления небесных тел. Такое измерение делается методом, использующим эффект Доплера, о котором уже упоминалось в первом разделе книги. Когда небесное тело приближается к нам — свет его голубеет, когда удаляется — краснеет. Измерение смещения линий в спектре звезды к голубому или красному концу позволяет вычислить скорость, точнее, ту часть скорости, которая направлена по «лучу зрения». Поэтому скорости, определенные по эффекту Доплера, астрономы называют «лучевыми скоростями».
Наконец, об измерении массы галактик и скоплений галактик. Ее можно определить, используя закон всемирного тяготения.
Пусть мы наблюдаем, скажем, эллиптическую галактику. В ней звезды движутся с определенными скоростями друг относительно друга. Если бы не было сил тяготения, они бы разлетелись в пространстве. Силы тяготения, обусловленные общей массой всей галактики, удерживают их от разбегания. Измерив относительные скорости звезд в галактике (это можно сделать методом Доплера) и зная размер галактики, можно вычислить силы тяготения, а значит, и массу, их создающую. Так определяют массы галактик.
При измерении масс скоплений галактик поступают аналогичным образом, только вместо движений отдельных звезд используют движение галактик в скоплении.
Теперь мы знакомы в общих чертах с тем, как были получены числа, описывающие устройство Вселенной в больших масштабах.
Возникает еще один вопрос. Как движутся в пространстве скопления галактик и отдельные, достаточно удаленные галактики?
Ответ на этот вопрос явился величайшим открытием естествознания XX века. Оказалось, что мы живем в расширяющейся Вселенной. Скопления галактик удаляются друг от друга, все вещество Вселенной было приведено в состояние расширения таинственным Большим взрывом в далеком прошлом.