Сборник статей - Библия и наука
Наблюдения за звездным небом продолжались, несмотря на проблемы в теории. И во второй половине XVIII века помимо звезд было замечено на небе немало неподвижных туманных пятен – туманностей. Природа большинства их долгое время оставалась спорной. Считали, что это линзы, состоящие из пыли и освещенные изнутри одной яркой звездой в их центре. До середины XX века объекты, ныне признаваемые галактиками, считались небольшими объектами, находящимися внутри нашей галактики наряду со звездными скоплениями и газовыми туманностями.
На вооружении астрономов существовал только один метод определения расстояния на небе – метод тригонометрического параллакса. Сущность его заключается в следующем. Перемещение Земли по орбите вызывает годичный параллакс (угол, под которым со светила виден радиус земной орбиты, перпендикулярный лучу зрения). Если длина базы известна, то параллактический угол позволяет вычислить расстояние до объекта. При фиксированной базе сам параллактический угол служит мерой расстояния до объекта.
Такие параллаксы называют тригонометрическими, поскольку они основаны на измерении углов. [Парсек – это такое расстояние, с которого средний радиус земной орбиты (равный 1 а.е.), перпендикулярный лучу зрения, виден под углом 1».]. Дифракционный предел разрешающей способности телескопа определяется отношением длины волны к диаметру главного зеркала/линзы оптического прибора. Согласно критерию Рэлея, две близкие точки объекта считаются разрешенными, если расстояние между центрами дифракционных изображений равно радиусу пятна Эйри (If /D, где D – диаметр объектива, f – его фокусное расстояние, 1 – длина волны). Диффракционный предел для оптических приборов составляет около 1/1000 угловой секунды параллакса, что соответствует 1000 пс расстояния.
Лучшие оптические телескопы на Земле сегодня способны этим методом определить угол порядка 0,01" или 90-100 пс. Орбитальные телескопы расширили сферу применимости метода до 300–500 пс. Самый большой зеркальный телескоп имеет сложный объектив из нескольких зеркал, эквивалентных целому зеркалу диаметром 11 метров. Самый большой монолитный зеркальный объектив имеет размер чуть больше 8 метров. Самым большим оптическим телескопом России является шестиметровый зеркальный телескоп БТА (Большой Телескоп Азимутальный).
Тригонометрические параллаксы удается измерить лишь у нескольких тысяч ближайших к Солнцу звезд при теоретических 100 миллиардах в нашей Галактике.
Галактоцентрическая революция
Путь к гигантским астрономическим расстояниям и разбиению 8-й сферы Птолемея на галактики проложили сотрудники Гарвардской обсерватории, а затем К.Э. Лундмарк и Э.П. Хаббл.
X. Ливитт, сотрудница Гарварда, в 1908 г. открыла 1777 переменных звезд в Малом Магеллановом Облаке (ММО). Для 16 из них она определила периоды. Оказалось, что чем продолжительнее период, тем ярче звезда. «Следует отметить, – писала она, – что более яркие переменные звезды имеют больший период». Э. Герцшпрунг отождествил эти звезды с известными в нашей Галактике цефеидами. В 1913 г. он по ничтожно малым собственным движениям цефеид определил их среднюю светимость и, опираясь на сходство кривых блеска и периоды, заключил, что звезды Ливитт в Малом Магеллановом Облаке – тоже цефеиды. Следовательно, их светимость можно считать примерно равной светимости цефеид нашей Галактики. Тогда по блеску цефеид Малого Магелланова Облака можно определить расстояние до них. Оно оказалось очень велико – 30 000 световых лет. В статье Герцшпрунга один ноль был пропущен. Это, вероятно, послужило причиной того, что колоссальное расстояние Малого Магелланова Облака не привлекло тогда внимания астрономов.
Найденная зависимость «период-светимость» цефеид стала рабочим инструментом в руках X. Шепли (1885–1972). Он первым в полном объеме использовал ее возможности для измерения гигантских расстояний. В 1918 г. он заново определил светимость 11 звезд-цефеид нашей Галактики и воспользовался этим для определения расстояний шаровых звездных скоплений, в которых цефеиды были обнаружены. Затем Шепли смог определить расстояния шаровых звездных скоплений, не содержащих цефеид, предполагая, что ярчайшие звезды таких скоплений имеют примерно одинаковую светимость. Он установил, что центр системы шаровых звездных скоплений, концентрирующихся к созвездию Стрельца, находится на расстоянии около 10 кпс от Солнца, и отождествил его с центром всей звездной системы Млечного Пути – Галактики. Таков был первый вклад звезд-цефеид в наши знания о мире. Позднее эта работа Шепли получила название галактоцентрической революции, так как он показал, что Солнце не находится в центре Галактики, к чему склонялись результаты предыдущих исследований. Параллельно голландец Я. Оорт разработал методику, позволяющую по измерениям параллаксов (а с ними и расстояний) и светимостей всех ближайших к Солнцу звезд определить характер движения этих звезд и Солнца вместе с ними в 3-х мерном пространстве, а также их собственные движения (т. е. движения в проекции на небесную сферу). Оказалось, это движение можно описать всего двумя константами (названными константами Оорта). Согласно результатам, выяснилось, что все близлежащие звезды вращаются вокруг некоего центра по круговым орбитам, а константы дают комбинацию линейной скорости движения Солнца относительно центра и галактоцентрического расстояния и радиальное изменение этой линейной скорости. Период галактического обращения Солнца оценивается величиной порядка 200 миллионов лет.
В результате галактоцентрической революции современное строение нашей Галактики «Млечный путь» таково: диаметр 25 кпс от одного ее края до другого, как от одного края колеса до диаметрально противоположного. Солнце расположено не на краю Галактики, а на расстоянии около 8 кпс от ее центра, то есть примерно на 2/3 ее радиуса, если считать от центра. Кроме того, Солнце немного приподнято над плоскостью диска галактики – на 0,7 кпк над ним [7].
В центре нашей Галактики находится галактическое ядро – сферический «балдж», или центральная «выпуклость» над диском. От ядра отходят 4 «ветви» – это наблюдаемые кусочки спиральных ветвей нашей Галактики. «Ветвь» Ориона, в которой находится наша Солнечная система, – это скорее не ветвь, а небольшое ответвление. Солнечная система расположена между мощными ветвями Стрельца (именно ее мы видим как самую яркую часть Млечного пути на небе. Именно в созвездии Стрельца находится центр нашей Галактики) и Персея. Как и все другие звезды, Солнце вращается по своей орбите быстрее, чем вращаются спирали, и соответственно изменяет свое положение относительно спиралей. Оценки говорят, что для орбиты Солнца спирали должны обращаться примерно раза в два медленней, чем сама звезда. Таким образом, если мы считаем числом главных спиралей галактики 4, то Солнце будет заходить в одну из главных спиралей примерно раз в сотню с небольшим (где-то 140) миллионов лет.
В нашей Галактике более 100 миллиардов звезд. Достоверным методом тригонометрического параллакса измерены расстояния примерно до нескольких тысяч звезд. Согласно доминирующей модели Галактики, центр ее находится на расстоянии около 8000 пс от Солнца. Заметим, что область применения достоверного метода определения расстояний составляет линейно менее 7 % от гипотетического галактического центра.
Расширяющаяся вселенная
Со времен Птолемея, насчитавшего 1056 звезд на небесах, видных невооруженным взглядом, прямые наблюдения звездного неба отнюдь не свидетельствуют о расширении вселенной. Предположение о расширяющейся вселенной имеет скорее теоретическую природу и некие косвенные факты. Начнем с теории. Любопытные ученые начали раздумывать над уравнениями общей теории относительности, приложенными ко всей вселенной. Оказалось, что эти уравнения сами по себе не имеют стационарного решения (аналогично ньютоновской вечной вселенной), т. е. решения, при котором все стояло бы на своих местах и не двигалось. Даже А. Эйнштейн, разрабатывая в 1915 г. общую теорию относительности, был уверен в статичности вселенной и, чтобы избавиться от этой неприятной ситуации, ввел в уравнение некую небольшую добавку, чтобы стационарное решение появилось. Эту добавку он назвал «космологическим» членом, а ее происхождение относилось к каким-то космологическим силам, которые, может быть, когда-нибудь откроют.
А. Фридман в 1922 г. установил, что без космологического члена решения могут быть трех видов: расширяющиеся (когда вселенная как бы равномерно «раздувается» из некоей точки), сжимающиеся, когда она сжимается в какую-либо точку, и пульсирующие, когда она сжимается до точки, а потом опять начинает расширяться. Мэтр Эйнштейн сначала слегка обиделся, что его поправляет какой-то Фридман, а потом публично признал его правоту. Фридман сделал два очень простых исходных предположения: во-первых, вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее ни наблюдали, и во-вторых, это утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места. Не прибегая ни к каким другим предположениям, Фридман показал, что вселенная не должна быть статической. Фридмана, конечно, заинтересовала расширяющаяся вселенная, но как построить из этого астрономическую теорию, он не знал. Вот последние слова одной из его статей: «Пока этот метод немного может дать нам, ибо математический анализ складывает свое оружие перед трудностями вопроса, и астрономические исследования не дают еще достаточно надежной базы для изучения нашей Вселенной, но в этих обстоятельствах нельзя не видеть лишь затруднений временных. (Знал, вероятно, что в отсутствии верификации ничто не может помешать теориям выбрать и классифицировать нужным образом объекты. – М.Ш.).
