Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Шрифт:
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.
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
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).
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.