Шкала расстояний в астрономии
Измерения астрономических расстояний привели к сдвигам парадигм в этой науке. Расстояния до звезд заставили нас почувствовать себя ничтожными, определение размеров Млечного Пути и отдаленность ближайших туманностей открыли космос, полный галактик. В столь грандиозных масштабах нет единого метода, приложимого ко всей Вселенной. Шкала расстояний в астрономии — лоскутное одеяло из множества разных подходов.
Поскольку Вселенная столь велика, измерять расстояния в ней — дело непростое. Линейку, применимую внутри нашей Галактики, до окраин космоса не дотянуть. Так что была развита уйма подходов, применимых к расстояниям разного масштаба. Там, где методики пересекаются, соседние шкалы можно привязать друг к другу, что дает нам набор делений, именуемый в астрономии шкалой расстояний. Эта шкала охватывает всю Вселенную, от ближайшего района Солнечной системы до ближайших звезд, весь Млечный Путь и дальше, до других галактик, их групп и до границ видимой Вселенной.
Первая ступень этой лестницы — самая крепкая. Расположение близлежащих звезд можно точно вычислить при помощи тригонометрического метода параллакса. Как турист вычисляет местоположение далекого горного пика на своей карте, несколько раз на пути определяя азимут, так и астроном на движущейся Земле может понять, где находится звезда, измеряя ее смещение относительно более далеких фоновых звезд.
Величина этого смещения сообщает астроному, как далеко звезда: близкие звезды смещаются больше далеких. Но расстояние до звезд так велико — ближайшая звезда находится в четырех световых годах от нас, — что эти смещения очень малы и их трудно измерить. Параллакс применим лишь к малой части Млечного Пути. Чтобы продвинуться дальше, нужны другие методы.
Цефеиды
Следующий шаг шкалы — уникальные звезды. Если точно знать яркость звезды — как будто это космический аналог пропорционально увеличенной стоваттной лампочки или стандартной свечи, — можно вычислить расстояние до нее, замерив ее сравнительную бледность. Яркость падает с квадратом расстояния: звезда вдвое дальше другой, в точности ей подобной, покажется в четыре раза более тусклой. Но фокус в том, чтобы знать собственную яркость исходной звезды. Звезды бывают самого разного размера, формы и цвета, от красных гигантов до белых карликов, и потому все не так-то просто. Но для редких типов звезд способ есть.
Переменные звезды — цефеиды — очень полезные стандартные свечи. Яркость звезды можно вывести из частоты ее мерцания. Достаточно соотнести эту частоту с тем, насколько тусклой кажется звезда в небе, — и можно вычислить расстояние до нее. Звезды типа цефеид достаточно ярки, чтобы их было видно через весь Млечный Путь и даже за его пределами, в других галактиках. Поэтому их можно применять, чтобы разметить район Вселенной вокруг нашей Галактики.
Сверхновые
Если двигаться дальше, нужны стандартные свечи еще ярче. Самые мощные маяки среди звезд — сверхновые, катастрофические взрывы умирающих солнц. Один класс сверхновых, именуемый типом Ia, особенно ценен: эти звезды различимы, даже если они расположены в самых дальних пределах Вселенной. Сверхновые типа Iа примечательны тем, что их яркость почти одинакова, — а те небольшие различия, что все-таки есть, можно учесть анализом скорости вспышки.
Сверхновые встречаются редко: в галактике размером с Млечный Путь за 50 лет взрывается, может, всего одна, и поэтому они полезнее всего на космических расстояниях, где множество галактик, что увеличивает вероятность увидеть хоть одну — за всю вашу карьеру астронома. Судя по сверхновым в далеких галактиках, на расширение Вселенной влияет таинственный компонент, называемый темной энергией, — своего рода антигравитационная переменная в уравнениях общей теории относительности.
Космическая пыль
Уязвимость метода стандартных свечей на больших расстояниях состоит в том, что их свет может гасить материя в космосе. В галактиках кавардак: газовые облака, обломки, углеродная копоть, и, если ваша звезда или сверхновая окажется за каким-нибудь источником смога, она покажется бледнее, чем на самом деле. Астрономы стараются обойти это препятствие, тщательно проверяя, нет ли на отрезке между наблюдателем и звездой космической копоти. Очевидный ее показатель — она меняет цвет звезды, делая ее краснее, как роскошные закаты, которые можно было наблюдать в 1991-м после извержения вулкана Пинатубо и выброса пыли в атмосферу Земли. Астрономы, заметив признаки пыли, делают соответствующую поправку яркости звезды.
Красное смещение
В космических масштабах красные смещения спектральных линий — самый часто применяемый показатель расстояния. По закону Хаббла, чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас из-за расширения Вселенной и тем более смещены в красную часть спектра оказываются линии химической эмиссии и поглощения. Но на красное смещение могут влиять локальные движения объектов, поскольку оно указывает лишь на скорость галактики в целом. Красные смещения хороши как примерный показатель, но менее полезны для точных измерений расстояния — и когда внутренние движения соотносимы в масштабах с общей скоростью расширения. Сегодня мы видим галактики примерно в 80% Вселенной. Астрономы постоянно состязаются за улучшение этого результата.
«Ступенька лестницы никогда не предназначалась для того, чтобы на ней стоять, но лишь для того, чтобы удержать ногу человека, пока он не поставит другую повыше» Томас Гексли
Статистические методы
Астрономы пробовали и многие другие методы. Некоторые из них — геометрические: приложение «линеек», длину которых можно определить, применив фундаментальные теории физики к масштабам измерений в небе. Среди этих методов — сравнение средних расстояний между скоплениями галактик и характерных размеров горячих и холодных полос реликтового излучения.
Годятся и статистические методы. Поскольку жизненные циклы звезд хорошо известны, можно считать некоторые фазы точками отсчета. Подобно тому, как по яркости и периоду мерцания отдельных цефеид можно судить о расстояниях, статистическое усреднение позволяет отметить ключевые изменения в яркости и цвете тысяч звезд. Другая методика, приложимая к галактикам, сродни тому, как определяют расстояние по степени размытости галактики: она состоит из миллиардов звезд и вблизи выглядит зернистой, а издали — смазывается.
Шкала расстояний в астрономии имеет устойчивое основание, но делается тем более шаткой, чем дальше в космос уходит. И пусть: необъятность пространства такова, что это не очень важно. От ближайших звезд в нескольких световых годах от нас до пределов Млечного Пути в 100 000 световых годах расстояния измерены хорошо. Расширение космоса приходится учитывать за пределами нашей группы галактик, то есть более чем в 10 миллионах световых лет от нас, и там оценивать расстояния уже сложнее. Тем не менее, стандартные свечи показали нам не только то, что наша Вселенная расширяется, но и что существует темная энергия, и благодаря этим осознаниям мы связали все с фундаментальными физическими процессами молодой Вселенной. Может быть, все не так уж шатко.