Закон Хаббла
Эдвин Хаббл первым понял, что все окружающие нас галактики удаляются от нашей. И чем они дальше, тем быстрее удаляются — следуя закону Хаббла. Так галактическая диаспора дала нам первое свидетельство расширения вселенной — поразительное открытие, изменившее все наши представления о ней и ее дальнейшей судьбе.
Вывод о том, что Земля вращается вокруг Солнца, сделанный Коперником в XVI веке, перепугал многих. Оказывается, человечество вовсе не обитает в центре космоса. Однако результат телескопических измерений, проведенных в 1920-х американским астрономом Эдвином Хабблом, оказался еще более неутешительным. Хаббл показал, что вселенная не статична, что она расширяется. Он свел в таблицу расстояния от нашей Галактики до других и их скорости относительно Млечного Пути и обнаружил, что галактики удаляются от нас.
«История астрономии — это история расширяющихся горизонтов» Эдвин Хаббл, 1938
Оказывается, мы столь непопулярны в космосе, что в нашу сторону медленно продвигаются лишь несколько ближайших соседей. Чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется — скорость ее пропорциональна расстоянию между нами (закон Хаббла). Отношение между скоростью и расстоянием всегда одно и то же, его назвали «постоянной Хаббла». Сегодняшние астрономы измерили эту величину, она оказалась близкой к 75 километрам в секунду на мегапарсек (мегапарсек, или миллион парсеков, равен 3 262 000 световых лет, или 3 х 1022 м). Вот с такой скоростью галактики от нас и удирают.
Большие дебаты
До XX столетия астрономы и в собственной-то Галактике, в Млечном Пути, мало что понимали. Они провели измерения для сотен ее звезд и заметили также немало легких размытостей, названных «туманностями». Некоторые из них были газовыми облаками, имевшими отношение к рождениям и смертям звезд. Но были и другие, обладавшие спиральной или овальной формой, наводившей на мысль, что устроены они сложнее обычного облака.
В 1920 году два знаменитых астронома заспорили о происхождении этих размытостей. Харлоу Шепли доказывал: все, что мы видим в небе, составляет часть Млечного Пути, который, собственно, и есть вселенная. Напротив, Гебер Кёртис полагал, что некоторые из этих туманностей представляют собой «островные вселенные» — «вселенные» внешние по отношению к Млечному Пути. Термин «галактика» был введен уже впоследствии, и как раз для описания этих туманностей, они же вселенные. Каждый астроном приводил доводы в поддержку своей идеи, так что за один день их спор не закончился. Более поздняя работа Хаббла показала, что прав был Кёртис. Спиральные туманности оказались внешними галактиками, которые лежат за пределами Млечного Пути. Вселенная вдруг развернулась, как огромный ковер.
Разлет
Хаббл использовал 100-дюймовый телескоп обсерватории Маунт-Вилсон для измерений светимости пульсирующих звезд туманности Андромеда, являющейся, как теперь известно, спиральной галактикой, очень похожей на Млечный Путь и на другие галактики, родственные нашей. Эти переменные звезды называются «цефеидами» — по первой из них, открытой в созвездии Цефея, — они и сейчас остаются незаменимыми для выяснения расстояний. У таких звезд светимость и период ее изменения связаны с яркостью, поэтому если вы знаете, как меняется светимость цефеиды, то знаете и какова ее яркость. А зная яркость, можно выяснить, насколько далека от нас эта звезда, потому что с ростом расстояния она тускнеет. Тут все просто: вы видите вдали электрическую лампочку и знаете, что ее мощность составляет 100 Вт, — тогда вам ничего не стоит определить расстояние до нее, сравнив ее яркость с яркостью такой же лампочки, горящей прямо перед вами.
«Мы видим, как они уменьшаются и тускнеют во все большем числе, и знаем, что заглядываем в пространство все дальше и дальше и будем заглядывать, пока самая тусклая из туманностей, обнаруженная с помощью самого мощного телескопа, не скажет нам, что мы добрались до границы известной вселенной» Эрвин Хаббл, 1938
Именно так Хаббл и измерил расстояние от нас до галактики Андромеда. Оно оказалось намного больше установленных Шепли размеров нашего Млечного Пути, а значит, эта галактика должна лежать за его пределами. Это простое наблюдение породило революцию. Оно означало, что вселенная огромна и наполнена другими галактиками, очень похожими на Млечный Путь. Если изгнание Солнца из центра вселенной рассердило Церковь и обидело чувства человечества, то разжалование Млечного Пути в рядовые огромного воинства, состоящего из миллионов других галактик, нанесло человеческому самолюбию удар еще более сильный.
Следом Хаббл занялся составлением таблицы расстояний от нас до других галактик. Он обнаружил также, что идущий от них свет претерпевает пропорциональное расстоянию красное смещение, подобное доплеровскому, наблюдаемому для двигающихся с большой скоростью объектов. То, что все частоты, например частоты атомных переходов водорода, были «краснее», чем ожидалось, означало: все галактики уносятся от нас, как множество машин «скорой помощи», у которых при этом понижается тон сирены. Странно, вообще говоря, что все они стараются оказаться от нас подальше и лишь несколько «локальных» движутся в нашу сторону. И чем дальше вы заглянете, тем большей будет скорость разлета.
Хаббл понял, что галактики не просто удаляются от нас — это обеспечило бы нам во вселенной место слишком привилегированное, — нет, все они разлетаются и друг от друга. И пришел к выводу, что сама вселенная расширяется, увеличиваясь в размерах, как гигантский надуваемый воздушный шарик. Галактики подобны точкам на его поверхности: чем больше воздуха накачивается в шарик, тем дальше они уходят друг от друга.
Как далеко, как быстро?
Даже сегодняшние астрономы используют переменные звезды, цефеиды, для того чтобы оценить скорость расширения нашей локальной вселенной. Главная их цель — точное измерение постоянной Хаббла. А для этого нужно знать расстояние до какого-либо объекта и величину его скорости, или красного смещения. Красное смещение несложно измерить по атомным спектрам. Частоту определенного атомного перехода в свете звезды можно сравнить с нею же, но полученной в лаборатории, разница между ними и даст величину красного смещения. Расстояния определять труднее, поскольку для этого необходимо наблюдать за некоторым небесным телом, для которого известна его длина или истинная яркость, «стандартная свеча».
Способов определения астрономических расстояний существует немало. Способ цефеид хорошо работает для ближних галактик, в которых еще можно различить индивидуальные звезды. Однако на расстояниях много больших необходимы другие методы. Они существуют, и все их можно объединить, соорудив гигантскую измерительную линейку, или «шкалу расстояний». Однако, поскольку каждый метод имеет свои особенности, точность этой расширенной шкалы все еще оставляет желать лучшего.
Ныне постоянная Хаббла известна с точностью около 10%, за что следует благодарить главным образом наблюдения за галактиками и космическим микроволновым фоновым излучением, проведенные космическим телескопом «Хаббл». Расширение вселенной началось с породившего ее Большого взрыва — вот с тех пор галактики и разлетаются. Закон Хаббла позволяет установить предельный возраст вселенной. Поскольку она постоянно расширяется, можно проследить этот процесс вспять, к начальной точке. Получается 14 миллиардов лет. По счастью, скорости расширения не достаточно для того, чтобы порвать вселенную на куски. На самом-то деле космос точно сбалансирован, полностью разорваться он не может и содержит массу достаточную, чтобы со временем начать сжиматься в точку.
Космический телескоп «Хаббл»
Космический телескоп «Хаббл» — это безусловно самая популярная из всех орбитальных обсерваторий. Сделанные им изумительные фотографии туманностей, далеких галактик и окружающих звезды дисков в течение двадцати лет украшали первые страницы многих газет Запущенный в 1990 году с борта шаттла «Дискавери», этот космический корабль близок по размерам к двухэтажному автобусу — 13 м в длину, 4 м в ширину, 11 000 кг веса. Он несет на себе астрономический телескоп с зеркалом в 2,4 м и комплект фотокамер и электронных детекторов, способных давать кристально чистые изображения, получаемые в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра. Сила «Хаббла» состоит в том, что он находится вне атмосферы Земли, поэтому сделанные им фотографии не размазываются. Ныне «Хаббл» состарился и дальнейшая его судьба стала неопределенной. НАСА может модернизировать его инструментарий, но для этого потребуется послать к нему шаттл с командой космонавтов, — а может, и прекратить работу с ним, оставив его вечно вращаться вокруг Земли либо утопив в океане.