Космос становится больше. Хаббл. Расширение Вселенной
Шрифт:
Новые открытия совершаются, когда приходит их время. Очень редко бывает так, что открытия делают задолго до этого или, наоборот, после. Эти открытия становятся возможными благодаря появлению более точных инструментов, требующих осмысления новых полученных данных, или формулировке новых теорий, позволяющих иначе интерпретировать уже известную информацию.
В случае с возможностью существования островных вселенных (которые Хаббл называл внегалактическими туманностями, а сегодня мы используем для них термин «галактики»), по сути, вопрос касался реальных размеров Вселенной. Открытия были сделаны, когда пришло их время. Доказательство существования этих вселенных приписывается Хабблу — и это не случайно, однако в истории остались имена и других ученых, о которых не следует забывать.
Термин
Немецкий астроном Уильям Гершель (1738-1822) с помощью своей сестры Каролины создал самые большие телескопы своей эпохи. Один из них был установлен в Мадриде, в Национальной обсерватории, однако через несколько лет был разрушен в ходе французской оккупации. Гершель пришел к выводу, что Млечный Путь имеет форму диска, или «мельничного жернова», по его собственному выражению, в котором Солнце занимало центральное место (см. рисунок). Не было объективной причины считать, что существуют еще какие-то «мельничные жернова».
Во вселенной Гершеля Солнце располагается примерно в центре.
Перед началом работы в Йеркской обсерватории Чикагского университета Хаббл присутствовал на ежегодной конференции Астрономического общества Северной Америки, что стало решающим событием для его будущей работы. Он смог посетить памятную выставку Весто Слайфера, где были представлены скорости удаления туманностей, достигавшие поразительных величин — более 1000 км/с. Эти скорости были получены в результате упрощенной интерпретации эффекта Доплера.
Эффект Доплера, получивший свое название в честь австрийского физика Кристиана Андреаса Доплера (1803- 1853) в 1842 году, был впервые упомянут в работе об изменении цвета двойных звезд. Этот эффект возникает для всех видов волн, когда приемник и источник волны движутся относительно друг друга. Если источник отдаляется от нас, длина волны увеличивается, если он приближается — уменьшается.
Если источник звука отдаляется от нас, то из-за увеличения длины волны мы слышим более низкий звук. Если источник приближается, звук становится более высоким. Когда к нам быстро приближается машина, мы слышим более высокий звук, когда она проезжает мимо нас и начинает удаляться, звук становится более низким. Так как свет — тоже волна, здесь также имеет место эффект Доплера. Он очень хорошо заметен, если мы посмотрим на спектральные линии. Они такие узкие, поскольку связаны с перемещением электронов по энергетическим уровням в атомах. Если спектральная линия оказывается не в своем положении, а смещена относительно длины волны, мы можем заподозрить, что это проявление эффекта Доплера, то есть имеет место движение источника волны по отношению к нам. Если длина волны увеличивается — обычно это называется красным смещением, — значит, источник удаляется. Если длина волны уменьшается — это называют фиолетовым смещением,— источник приближается. Кроме самого факта движения от нас или к нам, можно выяснить также скорость источника. Стоит отметить, что этот эффект имеет ключевое значение для астрофизики: благодаря ему мы можем узнать скорость любой звезды и направление ее движения.
Кристиан Андреас Доплер.
Представим спектральную линию с длиной волны 0 в лаборатории здесь, на Земле. Если мы будем наблюдать ее на движущейся (приближающейся или удаляющейся) звезде или галактике, полоса будет смещаться, изменится ее длина волны , а формула, связывающая обе длины волны, будет иметь следующий вид:
=0(1 + v/c),
где v — скорость удаления, а с — скорость света. Если v положительна, > 0, поэтому если полоса была желтой, смещение будет к красному цвету. Если v отрицательная, смещение будет к синему цвету. «Покраснение» используется как эквивалент смещения к большей длине волны.
В начале XX века не было различия между крупными объектами (за исключением планет), принадлежащими нашей и другим галактикам. И те, и другие назывались туманностями. Когда возникла необходимость их различать, Хаббл использовал термин «галактические туманности» и «внегалактические туманности». Ни разу за свою жизнь он не использовал термин «галактика», за исключением случаев, когда говорил о нашей галактике. Видимо, это было связано с враждой с Шепли, который настаивал именно на этом термине. Однако, поскольку эта книга посвящена Хабблу, а он использовал выражение «внегалактические туманности» или просто «туманности» (так как галактические туманности очень скоро перестали его интересовать), мы также будем пользоваться его терминологией, понимая, что «(внегалактическая) туманность» равнозначна современному понятию «галактика». Сегодня мы используем термин «галактика» для обозначения внегалактических туманностей, а термин «туманность» понимается как галактическая туманность. В этом словоупотреблении есть всего одно исключение: мы продолжаем говорить Туманность Андромеды, хотя, согласно описанному критерию, должны использовать выражение «галактика Андромеды». Наша галактика — одна из миллиарда других. Мы называем ее «нашей галактикой», или Млечным Путем: это полоса молочного цвета (см. рисунок), которая хорошо видна на ночном небе. Оба слова пишутся с заглавной буквы, поскольку они являются названием нашей галактики.
Художественное представление Млечного Пути.
Этот термин используется и в случае, когда мы находимся дальше красного цвета, в инфракрасном спектре, в радиоволнах. Также под термином «эффект посинения» понимается смещение к более короткой длине волны, даже когда мы выходим за границы синего цвета, двигаясь к ультрафиолетовому, рентгеновскому или излучению.
В астрофизике часто используется величина z, красное смещение (по-английски redshift), которое равно
z = ( - 0)/0.
То есть это перемещение линии в релятивистской концепции.
В случае красного смещения имеет место эффект Доплера, и мы приходим к выражению
z =v/с
В действительности в астрофизике измеряется красное смещение, z. Если оно интерпретируется как эффект Доплера, мы можем использовать эту формулу для вычисления скорости удаления (если z > 0) или приближения (если z < 0). Интерпретация, согласно которой z возникает из-за эффекта Доплера, очень проста. Мы увидим далее, что Хаббл не захотел высказывать своего мнения по данному вопросу, соглашаясь с мыслью о том, что возможны и другие причины покраснения. Мы вернемся к этому, но сейчас рассмотрим историческое развитие событий.
После обнаружения в Мюнхене Йозефом фон Фраунгофером (1787-1826) спектральных линий в солнечном излучении, астрофизика начала собирать точные данные в этой области. Скоро линии Фраунгофера были обнаружены в излучении звезд, и это позволило измерить их скорость, которая составила порядка 20-40 км/с. Следующим шагом было измерение скоростей туманностей. Были известны туманности, скорость которых примерно равна звездной; позже выяснилось, что они относятся к Млечному Пути. Затем настало время для измерения скоростей туманностей, имеющих вид вихрей; сегодня мы называем их спиральными галактиками.
Первой выбранной галактикой стала большая Туманность Андромеды (М31), имеющая наибольший угловой размер; ее можно наблюдать невооруженным глазом в Северном полушарии. Полученный уже в 1912 году результат был удивительным: Андромеда приближается к нам со скоростью 300 км/с. Ни один астрофизический объект не имел такой скорости. Но Слайфер продолжал измерять другие галактики — их было около 40. Полученные результаты удивляли еще больше. Во-первых, скорости росли, превышая величины, равные 1000 км/с, а во-вторых, Андромеда оказалась исключением, так как все остальные галактики удалялись. Впервые можно было говорить о расширении Вселенной.