Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей
Шрифт:
Ливитт знала, что звезды различаются по цвету и интенсивности свечения. Одни звезды маленькие и бледные, другие яркие и крупные. Тогда не было возможности узнать, как размер звезды связан с ее реальной яркостью, поскольку кажущиеся бледными звезды могут быть большими, но очень далекими, и наоборот.
Ливитт восхищали звезды, которые с регулярностью в несколько дней или месяцев превращались из ярких в тусклые и обратно. Она нанесла на карты семнадцать сотен звезд, указывая все характеристики, которые только смогла определить: яркость, расположение, периодичность изменений яркости. Она обнаружила удивительную закономерность: существовала прямая связь между
Идея Ливитт выглядела абсолютно мистической, но оказалась очень глубокой. Зная, что свет движется с постоянной скоростью, и зная реальную и видимую яркость звезды, можно рассчитать расстояние от Земли до этой звезды. Таким образом, Генриетта Ливитт придумала способ измерения космических расстояний.
Нужно представлять себе астрономию того времени, чтобы оценить революционную мощь открытия Ливитт. Со времен Галилея и до времен Пикеринга люди смотрели на небо и все более и более отчетливо видели планеты, звезды и туманности. Но главный вопрос оставался без ответа: как велика Вселенная? Существует ли что-нибудь за пределами нашей Галактики — Млечного Пути?
Как только Ливитт обнародовала свою идею в 1912 году, другие астрономы принялись калибровать небо. Один голландский ученый использовал правило Ливитт для измерения расстояний между звездами. Он получил огромное число: размер галактики превосходит возможности воображения. Затем Эдвин Пауэлл Хаббл, вооружившись идеей Ливитт, с помощью самого мощного телескопа того времени буквально за одну ночь изменил наше представление о Вселенной.
В 1918 году Хаббл, бывший студент-юрист и обладатель стипендии Родса Оксфордского университета, ставший впоследствии астрономом, использовал новый огромный телескоп в обсерватории Маунт-Вильсон, чтобы найти одну из звезд, обнаруженных Ливитт. Это особая звезда: она окружена облаком газа, которое тогда называли туманностью Андромеды. Когда Хаббл применил к этой звезде расчеты Ливитт, у него получился странный результат: звезда и все окружавшее ее облако оказались гораздо дальше всех других известных на тогда объектов. Так стало понятно, что эта группа небесных тел находится гораздо дальше любой самой дальней звезды нашей галактики. Это не облако газа — это другая галактика, находящаяся на расстоянии многих световых лет. Так туманность Андромеды превратилась в галактику Андромеды, а небо над нашими головами сделалось еще шире и еще древнее.
С помощью самого мощного телескопа Хаббл исследовал все объекты, содержавшие переменные звезды Ливитт. Галактика Андромеды и Млечный путь были лишь вершиной айсберга: небо буквально кишело галактиками с миллиардами звезд. Многие светящиеся облака газа, за которыми астрономы следили уже более ста лет, оказались группами звезд, лежащими далеко за пределами нашей галактики. В нашу эпоху, когда люди начали интересоваться возрастом Земли (тогда считалось, что он составляет от десяти до сотни миллионов лет), определение возраста и размера Вселенной показало, что наша планета — лишь крохотная точка в необъятном пространстве, состоящем из бессчетного множества галактик. И все это потому, что люди научились смотреть на небо по-новому.
Хаббл применил еще один метод изучения небесных объектов. Свет от приближающегося к нам источника кажется скорее синим, а от удаляющегося источника — скорее красным. Этот сдвиг связан с тем, что свет обладает волновыми свойствами: волны, излучаемые приближающимся к нам источником, будут выглядеть более сжатыми (длина волны будет меньше), по сравнению с волнами, излучаемыми удаляющимся источником. Более длинные волны образуют красную часть спектра, более короткие — синюю. Если правило Ливитт позволяло измерять расстояния между небесными объектами, то анализ цветового сдвига позволил оценивать скорость их движения.
Так Хаббл обнаружил удивительную закономерность: галактики излучают свет, смещенный в красную часть спектра. Это могло означать лишь одно — небесные тела удаляются от нас, а Вселенная расширяется. И это расширение не хаотично: все тела рассеиваются из общего центра. Давным-давно вся материя Вселенной находилась в этой центральной точке.
Эта новая идея понравилась далеко не всем. Некоторые эксперты ее просто возненавидели. Появилось множество альтернативных теорий происхождения Вселенной. Сторонник одной из них подшучивал над теорией Хаббла, называя ее теорией «большого взрыва». Но тогда не существовало прямых доказательств ни у теории Хаббла, ни у альтернативных теорий.
Доказательства были получены случайно — как побочный результат внедрения новых средств связи. С прорывом в развитии беспроводной связи и с расширением международной торговли и сотрудничества в конце 50-х годов возникла настоятельная потребность научиться передавать через океан радиосигналы и телеизображение. С этой целью НАСА запустила специальный спутник «Эхо-1». Этот спутник, имевший вид большого блестящего металлического шара, был предназначен для передачи сигналов из одной части земного шара в другие. Проблема заключалась в том, что возвращавшиеся на Землю сигналы часто были слишком слабыми, чтобы их можно было интерпретировать.
Арно Элан Пензиас и Роберт Вудроу Уилсон трудились в «Белл лабораториз» — в те времена это был рай для творчески мыслящих ученых — над параболической антенной, способной уловить самые слабые микроволновые сигналы, отраженные «Эхо-1». Они потратили много времени, сил и средств, чтобы создать нужную антенну. Однако в 1962 году НАСА запустила «Телстар» — спутник, который не просто отражал радиосигнал, но усиливал его. Для Пензиаса и Уилсона это означало, что в их антенне НАСА больше не нуждается.
Однако у этого события была и хорошая сторона: освобожденные от прежней задачи Пензиас и Уилсон смогли следить за радиосигналами из космоса. Правда, высокая чувствительность антенны, столь важная для решения задач НАСА, превращала работу с ней в сущий кошмар. Она принимала абсолютно все сигналы, даже самые слабые, и все шумы — почти как ненастроенный телевизор.
Попытки ученых устранить шумы напоминали поиски иголки в стоге сена. Сначала они попытались отсеять сигналы радиостанций. Не помогло: помехи сохранялись. Тогда они охладили детектор до –270 °C — при этой температуре молекулы практически прекращают двигаться. Помехи никуда не делись. Они заглянули внутрь детектора и обнаружили, что внутри его… загадили птицы. Удаление продуктов птичьей жизнедеятельности слегка помогло, но помехи все же остались. Этот фоновый шум продолжался днем и ночью и был примерно в сто раз сильнее ожидаемого.
Тем временем ученые из Принстонского университета с помощью компьютерного моделирования обосновали гипотезу: если Большой взрыв действительно имел место, то в космосе должно было сохраниться некоторое количество энергии (как дым после взрыва). И после 13,7 миллиарда лет охлаждения и расширения Вселенной это реликтовое излучение должно было присутствовать повсюду и иметь определенную длину волны. Это было вполне строгое количественное предсказание, не допускающее неоднозначности. Знакомый показал Пензиасу и Уилсону статью, и они немедленно поняли значение своих статических помех. Фоновый шум не был шумом: это был сигнал. Именно это и предсказывала теория. И за открытие следов Большого взрыва Пензиас и Уилсон в 1978 году были удостоены Нобелевской премии.