Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

(На момент публикации этой книги на русском языке — примерно до 1 миллиарда звезд. Редактор.)

Несмотря на широкое расположение глаз и постоянно совершенствующиеся измерительные приборы, с помощью параллакса можно измерять расстояния только в пределах нескольких тысяч световых лет. Это соответствует лишь нескольким процентам протяженности Млечного Пути. А ведь нам хочется измерять расстояние до галактик далеко за пределами Млечного Пути.

Для Цвикки это было не менее важно. Его интересовало, сколько света излучают изучаемые им галактики. Тогда, помимо измерения количества принимаемого света, нужно знать, на каком расстоянии от нас эти галактики находятся. Кроме того, Цвикки понадобилось бы расстояние для определения размеров скопления Кома, без этого показателя невозможно ничего сказать о гравитационных силах в скоплении.

Здесь параллакс поднимает белый флаг, а мы поднимаемся на новую ступеньку космической лестницы. И на помощь нам приходит явление, которое еще не раз порадует нас на протяжении книги, а именно стандартные источники света, или стандартные свечи, — своеобразный космический факел.

Представьте, что вы идете на новогоднюю вечеринку к богачу где-то вдали от ярко освещенного города. Вы потратили все деньги на аренду презентабельного наряда, на такси не хватает, и вы решаете пройтись пешком до усадьбы. Вам повезло: хозяин оказался достаточно гостеприимным и расставил там и сям вдоль дороги небольшие факелы. Расстояние между ними каждый раз разное. На открытом пространстве отчетливо видно, как факелы ведут до отдаленной усадьбы. И, шагая в одиночестве под мерцающими звездами темной зимней ночью, вы задаетесь одним из экзистенциальных вопросов, который на протяжении веков занимал людей: долго ли еще идти до вечеринки?

Тут на выручку приходит свет факелов. Поскольку вы заядлый и опытный фотограф (и самоуверенно полагаете, что именно поэтому вас и позвали на вечеринку), у вас с собой операторское оборудование, умеющее очень точно измерять яркость.

С помощью фотоаппаратуры вы измеряете характеристики света от ближайшего факела, а потом шагами высчитываете расстояние. Десять метров! Затем вы измеряете характеристики света самого дальнего от вас факела, самого тусклого, который стоит у лестницы в усадьбу. Вы обнаруживаете, что его яркость составляет одну десятитысячную яркости ближайшего факела. Так как вы прекрасно знаете, что яркость должна уменьшаться в 4 раза при удвоении расстояния, то после быстрых вычислений узнаете, что расстояние до особняка составляет 1000 метров, проще говоря, километр.

Чем дальше факел, тем меньше света до вас доходит. Если все факелы одинаковые, то можно измерить получаемый от дальних факелов свет, чтобы рассчитать расстояние.

Таким способом вполне реально определить расстояние до дальнего факела. Но, как мы уже поняли, каждое научное заключение основано на предположениях. В случае с факелами ваше заключение — 1000 метров — зависит, в частности, от следующих факторов:

— насколько точно вы измерили яркость,

— действительно ли яркость уменьшается ровно в 4 раза при удвоении расстояния,

— насколько точно вы измерили расстояние до ближайшего факела,

— действительно ли первый и последний факелы излучают одинаковое количество света (т. е. имеют одинаковую светимость).

Думаю, вы не удивитесь, узнав, что пример с факелами — прямая аналогия того, как мы определяем расстояние до многих звезд и галактик во Вселенной. От все тех же четырех пунктов, о которых мы говорили при измерении расстояния между факелами, будет зависеть и точность определения астрономических расстояний. Так как же астрономы справляются с этими пунктами?

С первым пунктом особых сложностей не возникает. Астрономы отлично умеют измерять яркость и, что не менее важно, умеют оценивать точность измерений.

Второй пункт, касающийся того, насколько меньше света излучает источник при увеличении расстояния, уже менее однозначный. Верность закономерности об удвоении расстояния и уменьшении интенсивности яркости до четверти исходной зависит от того, насколько беспрепятственно свет перемещается в пространстве. В случае с факелами мы можем представить, что из-за легкого тумана свет дальнего факела кажется слабее. Во Вселенной сходным эффектом обладает, например, космическая пыль. Если пыль ослабляет свет далекой звезды, то кажется, будто звезда находится дальше, чем на самом деле. Проблема эта однозначно заслуживает внимания, но все же сейчас нам доступны надежные способы картирования пыли, так что и этот пункт вполне подвластен контролю.

А что с третьим пунктом? (В нем говорится про измерение расстояния до ближайшего факела.) Замерить расстояние до ближайшего факела относительно просто. Но вот как быть с ближайшей звездой? Ну, например, воспользоваться методом параллакса: наблюдать, как звезда движется на небе, пока Земля обращается вокруг Солнца.

Таким образом, мы можем измерить расстояние до ближайшей звезды, используя метод параллакса. Затем найти звезду того же типа, которая расположена гораздо дальше, и, сравнивая, сколько света до нас доходит от двух звезд, мы вычислим, на каком расстоянии находится дальняя звезда.

И вот мы добрались до четвертого пункта: откуда мы знаем, что оба факела (или обе звезды) излучают одинаковое количество света? Представим, что последний факел слегка отличается и горит немного слабее первого. Тогда тусклый свет заставит нас поверить, что поместье находится дальше, чем на самом деле. Со звездами проблема становится только серьезнее: звезды бывают всевозможных светимостей. Как же тогда узнать, что обе звезды — как ближняя, так и дальняя — излучают одинаковое количество света?

Нас выручает то, что у большинства нормальных звезд температура поверхности и светимость взаимосвязаны. У больших, излучающих много света звезд, как правило, более низкая температура поверхности, чем у маленьких и излучающих меньше света. В измерении температуры поверхности звезды все относительно просто: горячие звезды излучают больше света на коротких волнах, чем холодные. Та же ситуация, что и с обычным пламенем: синее пламя горячее, чем красное, а у синего света более короткие волны, чем у красного.

Недостаток такого метода заключается в том, что соотношение между яркостью и температурой приблизительно и что ко всем видам звезд его не применить. Но если посмотреть на достаточное количество звезд, то техника для приблизительной оценки расстояний вполне рабочая. Основное условие — это, конечно, рассмотрение относительно коротких расстояний, чтобы можно было наблюдать за обычными одиночными звездами через телескоп.

Но все же подгон звезд по температуре и яркости уж слишком грубый и неточный для того, чтобы стать межгалактической измерительной лентой. Поэтому астрономы почти помешаны на поиске так называемых стандартных свечей (или стандартных источников света). Это источники света, например звезды, светимость которых нам точно известна. А еще стандартные свечи должны быть очень яркими, ведь так они будут видны, несмотря на большие расстояния, и также желательно, чтобы их легко было отличить от других звезд. Но как же найти эти стандартные свечи?

И вот на сцену вступает новый фантастичный класс звезд: цефеиды. На выдающиеся характеристики цефеидов впервые обратила внимание в 1908–1913 годах астроном Генриетта Ливитт (1868–1921). Цефеиды — это класс пульсирующих переменных звезд. Яркость цефеиды то увеличивается, то уменьшается в течение периода, длящегося от нескольких дней до нескольких недель, — это и называют пульсациями. Ливитт обнаружила взаимосвязь между быстротой пульсации цефеиды и ее светимостью: чем медленнее пульсация, тем сильнее светит звезда в «яркий» период. Измеряя, как быстро пульсирует цефеида, мы можем узнать, сколько света она излучает, когда светит наиболее мощно. Ну вот, у нас есть стандартная свеча! Таким образом, мы можем измерить, сколько света доходит до Земли, и вычислить расстояние до цефеиды. Кроме того, наиболее яркие цефеиды — те, что медленно пульсируют, могут сиять в десятки тысяч раз ярче Солнца, а это означает, что за такими звездами можно наблюдать, даже если они находятся за пределами Млечного Пути.