Метод параллакса
Как далеко до звезд? Метод параллакса основан на том, что при взгляде с движущейся Земли кажется, будто близкие объекты перемещаются быстрее удаленных. Легкое изменение положения наблюдателя говорит нам, что ближайшие звезды в миллионы раз дальше от Земли, чем Солнце. Большинство этих звезд размещается на диске, образующем нашу Галактику, который мы видим как полосу на небе и называем Млечным Путем.
Когда стало понятно, что звезды — не дырочки в стеклянных сферах, а мириады далеких солнц, возник вопрос, насколько они далеки. Узоры, в которые складываются далекие звезды, называются созвездиями — охотник Орион, Большая Медведица, Южный Крест. Но чтобы понять, как они расположены в космосе, потребовались столетия.
Первая подсказка — в том, что небо усыпано звездами не равномерно: большая их часть лежит в светлой полосе, которую мы зовем Млечным Путем. Эта полоса ярче всего в Южном полушарии, особенно вблизи созвездия Стрельца, где извечная панорама отмечена черными облаками и яркими клочками туманностей. Сегодня мы знаем, что полоса Млечного Пути состоит из миллиардов тусклых звезд, которые сливаются для наших глаз в единое неяркое сияние. Если составить карту их расположения, станет видно, что звезды собраны в спиральные рукава. Солнце находится в одном из этих спиральных рукавов, в тихом галактическом пригороде. Но как это вычислили?
Угловые секунды
Астрономы измеряют расстояния в небе, используя проекции углов. Размер Луны — примерно половина градуса. Градус делится на 60 угловых минут ( ´ ), которые, в свою очередь, разбиваются на 60 угловых секунд ( ´´ ). Получается, угловая секунда — это 1/3600 градуса.
Млечный Путь
Via Lactea по-латыни, Млечный Путь зачаровывал древних. Греческие философы, включая Аристотеля и Анаксагора, допускали, что это и впрямь море далеких горящих звезд. Но проверить это они не имели возможности. Лишь в 1610 году, когда Галилей наставил на небо свой телескоп, этот туман рассеялся и открылось множество отдельных звезд.
Над распределением звезд в трех измерениях космоса задумывался философ Иммануил Кант. В трактате 1755 года он рассуждал, что звезды Млечного Пути распределены по гигантскому диску, удерживаемые силой тяготения, — в точности как планеты в нашей Солнечной системе вращаются вокруг Солнца в единой плоскости. Звезды образуют полосу на небе, потому что мы смотрим на них со своего места в этом диске.
В 1785 году британский астроном Уильям Гершель изучил форму Млечного Пути, кропотливо наблюдая за сотнями звезд. Нанося на карту их местоположение, он понял, что в одной области неба их намного больше. Гершель предположил, что Солнце находится на диске Млечного Пути, а не в его центре, как представлялось ранее.
Далеко-далеко
Хотя когда-то считалось, что все звезды размещаются на одинаковом расстоянии от Земли, астрономы постепенно пришли к пониманию, что это маловероятно. Звезды распределены явно неравномерно. Теория тяготения, выдвинутая Исааком Ньютоном, предполагала, что, если звезды достаточно массивны, они притянулись бы друг к другу, как планеты притягиваются к Солнцу. Но, поскольку звезды не скученны, видимо, это тяготение недостаточно сильно. Следовательно, звезды располагаются очень далеко друг от друга. Рассуждая, таким образом, Ньютон стал одним из первых, кто понял, как далеки на самом деле звезды.
Астрономы искали способы определить расстояние до той или иной звезды. Один из методов основан на яркости: если яркость звезды сравнима с солнечной, она должна уменьшаться с квадратом расстояния. Исходя из этого допущения голландский физик Кристиан Гюйгенс (1629-1695) вычислил расстояние до самой яркой звезды в ночном небе — Сириуса. Он подобрал размер маленькой дырочки в экране так, чтобы сквозь нее проходило количество солнечного света, равное количеству света от звезды. Рассчитав размер дырочки относительно размера Солнца, он сделал вывод, что Сириус должен быть в десятки тысяч раз дальше. Позднее Ньютон поместил Сириус на расстояние в миллион раз большее, чем Солнце, сопоставив его с яркостью Сатурна. Ньютон почти угадал: Сириус лежит примерно на половине этого расстояния. Так открылась необъятность межзвездного пространства.
«Если я и видел дальше других, то потому, что стоял на плечах у гигантов» Исаак Ньютон, из письма Роберту Гуку (1676)
Парсеки
Измерения звездного параллакса часто определяются как разница расположения звезды при наблюдении с Земли и с Солнца. Это угол, под которым был бы виден средний радиус земной орбиты из центра масс звезды. Парсек (3,26 световых года) определяется как расстояние, для которого этот параллакс составляет одну угловую секунду.
Параллакс
Но не все звезды обладают той же яркостью, что Солнце.
В 1573 году британский астроном Томас Диггс предложил применять к звездам географический метод параллакса. Параллакс — это смещение угла, под которым вы видите объект при движении относительно него. Когда вы путешествуете по пересеченной местности, направление на холм неподалеку меняется быстрее, чем на отдаленную гору. А если вы едете на машине, деревья вблизи пролетают мимо быстрее, чем те, что дальше. Видимое положение звезд, наблюдаемых с Земли, сдвигается из-за движения нашей планеты по эллиптической орбите вокруг Солнца, и размер смещения зависит от их расстояния до нас.
Астрономы кинулись изучать эти годовые смещения звезд — чтобы и измерить расстояние до них, и подтвердить гелиоцентрическую модель Солнечной системы. Но в процессе они наткнулись на кое-что другое. В 1674 году Роберт Гук опубликовал данные о смещении гаммы Дракона, яркой звезды, которая проходит через зенит на широте Лондона, что позволило Гуку произвести точные наблюдения через специально устроенную дырку в крыше собственного дома. В 1680-м Жан Пикар сообщил, что Полярная звезда смещается на 40 угловых секунд каждый год, а Джон Фламстид в 1689 году подтвердил эти сведения.
Желая разобраться, что означали эти изменения, Джеймс Брэдли повторил наблюдения и тоже зарегистрировал сезонное смещение гаммы Дракона — в 1725 и 1726 годах. Но эти смещения не были похожи на параллакс: размер смещения должен был бы зависеть от расстояния до звезды, но все наблюдаемые звезды смещались одинаково.
Брэдли это озадачило. Спустя пару лет он понял, в чем дело: как флюгер на мачте меняет направление при повороте корабля, показывая сумму направлений ветра и корабля, так и движения Земли меняют то, как мы видим звезды. По мере нашего движения вокруг Солнца все звезды слегка покачиваются. Это неожиданное открытие, названное звездной аберрацией, также подтверждает, что Земля обращается вокруг Солнца.
Параллакс не обнаружился, пока не были созданы достаточно точные инструменты. Первые успешные измерения сделал Фридрих Бессель в 1838 году — для звезды 61 в созвездии Лебедя. Поскольку звезды очень далеко, их параллакс очень мал и его трудно измерить. Например, параллакс ближайшей к нам звезды, Проксимы Центавра, меньше угловой секунды, это в 50 раз меньше ее аберрации. Сегодня спутники вроде «Гиппарха» Европейского космического агентства измерили точное расположение 100 000 ближних звезд, а из этих данных вывели расстояния и до многих других. Тем не менее, параллакс можно увидеть только на расстоянии примерно 1 % от размеров нашей Галактики.
Роберт Гук (1635-1703)
Роберт Гук родился на острове Уайт в Англии, в семье викария. Он учился в оксфордском колледже Крайст-Чёрч и работал ассистентом у физика и химика Роберта Бойля. В 1660-м Гук открыл закон упругости и вскоре после этого был принят на должность куратора экспериментов на встречах Королевского общества. Через пять лет он опубликовал работу Micrographia, в которой впервые использовал термин «клетка», сравнив вид клеток растений под микроскопом с монашескими кельями. В 1666 году Гук помогал заново отстраивать Лондон после Великого пожара, работая вместе с Кристофером Реном над Королевской обсерваторией в Гринвиче, Монументом в память о пожаре и Вифлеемским королевским госпиталем (известным как Бедлам). Умер он в Лондоне в 1703 году и похоронен на лондонском кладбище Бишопсгейт, но в XIX веке его останки перенесли в Северный Лондон, и их нынешнее местонахождение неизвестно. В феврале 2006 года была найдена копия записей Гука со встреч Королевского общества, которые считались потерянными, теперь они хранятся в Королевском обществе в Лондоне.