Анатолий Томилин - Занимательно об астрономии
Кирхгоф так сформулировал законы спектрального анализа: непрерывный спектр дают только раскаленные твердые или жидкие тела. Линейчатые и полосатые спектры излучения — светящийся газ при низком давлении и высокой температуре или пар. Спектр поглощения получается в том случае, когда перед источником, дающим непрерывный спектр, имеется слой более холодных газов, или паров, поглощающих как раз те лучи, которые сами способны испускать в раскаленном состоянии. При этом линии каждого химического элемента занимают в спектре строго определенные положения.
За сто лет своего существования спектральный анализ превратился в мощное оружие исследования не только химического состава, но и физического состояния раскаленных тел. Потому что нейтральные атомы и молекулы дают спектры, отличные от тех же атомов и молекул в ионизированном состоянии.
В общем с самого начала спектры будто приглашали астрономов заняться их сравнением. «Так ли разнообразен состав звезд, насколько сами они многочисленны?» — писал итальянский астроном Анджело Секки в 1886 году.
Работы Кирхгофа и Бунзена немедленно привлекли к себе внимание ученых всего мира. Всем ведущим астрономам возможности нового метода казались поистине безграничными.
Но действительные успехи в исследовании звездных спектров стали возможны значительно позже, после появления атомной теории, разработанной Нильсом Бором, и квантовой гипотезы Макса Планка. Лишь после этого спектры стали настоящими «паспортами звезд».
К 1924 году установилась спектральная последовательность, которой астрономы придерживаются в наше время. Звезды разделились на 10 классов. Причем каждый класс имеет для большей точности еще 10 ступеней — подклассов. Класс обозначается буквой, подкласс — цифрой от 0 до 9. Получается лесенка из 100 ступенек.
Классы О, В, A, F, G, К, М — основные. Классы R, N и S — дополнительные, объединяющие сравнительно небольшое количество холодных звезд. В их спектрах заметны яркие полосы монохроматического света, излучаемого молекулами окисей металлов, углерода и циана. Это классы умирающих светил. Они светятся слабо; может быть, среди них есть и вовсе несветящиеся — черные, недоступные оптическим телескопам. Существует предположение, что таких несветящихся звезд во вселенной довольно много, хотя открыть их и тем подтвердить гипотезу пока что никому не удалось.
Спектральные классы дали возможность классифицировать звезды по температуре. Красным цветом светятся наиболее холодные звезды. Чем температура выше, тем звезды яростнее, белее. Хоть это и не вызывает сомнений, автор все-таки хочет напомнить, что и у нас, на Земле, раскаленный добела гвоздь горячее гвоздя, нагретого до красного каления.
6. Астроном, не верь глазам своим!
Однажды известный всему миру физик был остановлен полицейским за то, что въехал под красный свет светофора. Попавшемуся на нарушении свойственно оправдываться.
— Видите ли, сержант, я ехал настолько быстро, что красный свет показался мне зеленым.
Научный авторитет ученого не позволял сомневаться в правдивости его слов. Тем более что полицейский физики не знал.
— Что ж, сэр, тогда я вас оштрафую за превышение скорости. — И выписал квитанцию.
Анекдот? Конечно! Но хороший анекдот.
Христиан Допплер не знал анекдота об известном физике XX века. У Допплера не было и автомобиля. Австрийский ученый работал в 1842 году в Пражском университете и ездил в экипаже, влекомом одной лошадиной силой. И все-таки это не помешало ему (если не помогло) задуматься над вопросом, а не изменится ли действительно цвет света в зависимости от скорости движения источника или наблюдателя.
Но сначала небольшое напоминание: плавали ли вы на лодке против ветра? Если да, то наверняка замечали, как часто бьют волны по носу вашей посудины. Но стоило вам повернуться к ветру кормой и подналечь на весла, как ход лодки становится куда более плавным. Волны шлепали по корме значительно реже.
Ну-ка, поразмыслите. К чему ведет аналогия? Свет — электромагнитные колебания, распространяющиеся со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Так считаем мы. Допплер был убежден, что свет — механические колебания эфира, распространяющиеся с той же скоростью. Однако бог с ней, с разницей в степенях истинности! Сейчас они не так существенны. Важнее другое: каждому цвету соответствует своя частота колебаний. Зеленому — большая. Красному — меньшая. Но вот мы устремляемся навстречу красному лучу с бешеной субсветовой скоростью. Глаз, как нос лодки, встречает участившиеся световые волны. И чем быстрее мы движемся, тем чаще встречные колебания. Значит, красный свет должен изменить свою частоту, а следовательно, и цвет. Красный луч зеленеет.
Между прочим, попробуйте сами рассчитать, какой должна быть скорость вашего движения, чтобы красный луч света приобрел отчетливый зеленый оттенок. Результат получится настолько любопытным, что не жалко труда.
Точно так же, удаляясь от источника зеленого света, мы при достижении определенной скорости заметим его покраснение.
Великолепная догадка! Но сколько коварства оказалось в ней! Допплер был не только математиком и физиком, конечно, он был и астрономом. А для астрономии этот эффект мог оказать неоценимую услугу. Подумайте, ведь по смещению спектра какой-нибудь звезды можно было запросто судить, неподвижна эта звезда по отношению к нам, или улетает прочь, или, наоборот, стремится налететь на нас.
Почтенному мэтру не повезло. Пытаясь объяснить различия в цветах двойных звезд на основании своего предположения, он потерпел фиаско.
Шесть лет спустя француз Ипполит Луи Физо — двадцатисемилетний физик и астроном, в будущем член Парижской академии наук, — дополнил Допплера.
«Красные лучи, — рассуждал он, — конечно, еще больше покраснеют, если удирать от них, и превратятся в инфракрасное, невидимое, тепловое излучение. В этом сомнений нет. Но зато на смену им придут зеленые и голубые, ставшие красными. А на смену голубым и фиолетовым придут в прошлом невидимые ультрафиолетовые. Получается, что весь непрерывный спектр останется как бы неизменным? Значит, Допплер ошибается. Но, с другой стороны, его рассуждения безупречны. Как же все-таки обнаружить смещение спектра?..»
Проблема казалась настолько безвыходной, что молодой ученый даже испугался, когда в голову ему пришла идея, простая и замечательная. Спектр, конечно, не изменится, хоть и сместится, но вместе с ним сместятся и темные линии поглощения! Вот оно! Сравнив спектр движущегося источника со спектром неподвижного, по смещению темных линий можно судить не только о направлении полета источника, но и о его скорости.
23 декабря 1848 года Физо прочел свой доклад на заседании «бессмертных» — так зовутся французские академики, избираемые навечно. Его дополнение было признано академиками настолько существенным, что с тех пор французы стали называть явление Допплера «эффектом Допплера — Физо».
Живи Допплер в XX столетии, в ошибке его никто бы не упрекнул. Американский астроном Вильям Баум восстановил доброе имя первооткрывателя. В обсерватории Маунт-Вильсон Баум сравнил спектры далеких, быстро удаляющихся галактик с неподвижными спектрами и обнаружил, что, хотя видимой разницы в них и не заметно, максимум кривой распределения энергии в спектре удаляющегося объекта сползает к красному концу.
Но это исследование XX века. Сто лет назад о спектрах галактик еще не задумывались. А звезды, принадлежащие к Млечному Пути, движутся относительно Солнца со сравнительно малыми скоростями (не более нескольких сот километров в секунду). При таких «черепашьих» темпах заметить смещение кривой распределения энергии просто невозможно. Так и остался в истории науки эффект Христиана Допплера с поправкой Ипполита Физо. Но чтобы идеи Допплера — Физо получили права гражданства, их нужно было подтвердить опытом. А это-то как раз ни у кого и никак не получалось.
В XIX веке на первое место среди астрономических обсерваторий мира выходит Пулково — российская обсерватория. Точность, тщательность наблюдений, абсолютная достоверность результатов — вот качества, сопровождавшие все работы, проводившиеся в Пулковской обсерватории.
В 1879 году директор обсерватории при Московском университете профессор Федор Александрович Бредихин с удовольствием пожимал руку своему новому коллеге. Это был двадцатитрехлетний выпускник университета Аристарх Белопольский. Бредихин давно наблюдал за талантливым студентом, трудолюбию и золотым рукам которого удивлялись все окружающие. По окончании курса молодой человек остался при университете для подготовки к званию профессора астрономии. Ему было предложено вначале место сверхштатного ассистента при обсерватории. Белопольский великолепно зарекомендовал себя на работе. Он ремонтировал приборы и строил новые. Вслед за своим учителем Витольдом Карловичем Цесарским он освоил применение новой тогда фотографии для астрономических наблюдений Солнца. И скоро защитил магистерскую диссертацию.
