Ник. Горькавый

Сказка об астрономе Слайфере

• РАССКАЗЫ О НАУКЕ •

Ник. Горькавый.

СКАЗКА ОБ

АСТРОНОМЕ СЛАЙФЕРЕ,

КОТОРЫЙ ОТКРЫЛ РАЗБЕГАНИЕ

ВСЕЛЕННОЙ

Другие научные сказки Ник. Горькавого см. «Наука и жизнь» № 11, 2010 г., с. 89; № 12, 2010 г., с. 81; № 1, 2011 г., с. 83; № 2, 2011 г., с. 89 и № 3, 2011 г., с. 90.

Жил-был в фермерском штате Индиана мальчик Весто Мелвин Слайфер. В конце XIX века в американской сельскохозяйственной глубинке было довольно скучно. Электричество и телефон уже изобрели, но до Индианы они ещё не дошли. Автомобили с их шумом, вонью и яркими фарами тоже оставались редкостью. Дороги и улицы тихих городков и ферм после заката солнца погружались в бархатную душистую тьму, лишь огоньки свечей и керосиновых ламп мерцали за занавесками окон.

Главным зрелищем ночи американских прерий становились звёзды, которыми Весто без устали любовался. Они тысячами полыхали над бескрайними полями кукурузы и пшеницы. Млечный Путь, неразличимый в небе современных городов, простирался от горизонта до горизонта — ясный и великолепный. А уж когда всходила луна, то дыхание мальчика просто замирало от восторга.

Незамутнённое первозданное небо прерий Среднего Запада подарило миру много выдающихся астрономов. Среди них — Весто Слайфер, решивший посвятить свою жизнь звёздам ещё в детстве. В 1901 году он с отличием окончил университет Индианы сразу по двум специальностям — астрономии и математике.

Слайферу повезло — университетский профессор, высоко ценивший успехи молодого человека, порекомендовал его Персивалю Лоуэллу — выходцу из богатой бостонской династии, известной с XVII века. Лоуэлл был легендарной и колоритной личностью. Бизнесмен, дипломат и востоковед, он, приблизившись к сорокалетнему возрасту, резко изменил свою жизнь и решил заняться астрономией, которой интересовался с детства. В 1894 году Лоуэлл выстроил свою обсерваторию в штате Аризона, на горе высотой более двух километров, стал её директором, а также активным наблюдателем Марса. Он считал, что на Марсе существует высокоразвитая цивилизация. И даже сделал 15 тысяч зарисовок геометрически правильных марсианских каналов, которые якобы видел в телескоп с зеркалом диаметром 24 дюйма (61 см). Другие астрономы ему не верили, отчего Лоуэлл очень переживал.

Весто Мелвин Слайфер (1875-1969) — астроном Лоуэлловской обсерватории (с 1916 по 1952 год её директор), открывший разбегание галактик.

Главная башня Лоуэлловской обсерватории (штат Аризона). Фотография из книги Х. Купера и Н. Хенбеста «История астрономии».

Симпатичного фермерского паренька Слайфера Лоуэлл взял на работу временно, поддавшись на уговоры знакомого профессора. Забегая вперёд, скажу, что Весто задержался на этой «временной» работе больше чем на пятьдесят лет!

Персиваль Лоуэлл (1855- 1916) — дипломат, востоковед, бизнесмен и астроном, основавший Лоуэлловскую обсерваторию.

Лоуэлл поручил Слайферу изучать спектры планет, а заодно выращивать кабачки и прочие овощи на огороде при обсерватории. Лоуэлл часто бывал в отъезде, поэтому слал помощнику телеграммы с указаниями, а также с просьбами прислать свежих кабачков экспресс-почтой.

Эффект Доплера заключается в том, что длина волны света зависит от направления движения источника света: звёзды, двигающиеся к нам, синеют, а от нас они убегают, краснея.

Сын фермера никаких проблем с выращиванием кабачков не испытывал, но вот незнакомое искусство спектрографии доставило ему немало мучений. Однако Слайфер оказался упорным и в конце концов овладел секретами получения спектров планет, а также измерил скорости вращения Марса, Юпитера, Сатурна и Урана и доказал, что Венера вращается очень медленно, а у Марса в атмосфере есть слабые следы водяного пара. Лоуэлла обрадовала эта новость — значит, решил он, вода в марсианских каналах ещё не вся пересохла!

Лоуэлл считал, что видит в свой телескоп огромные каналы Марса. На основании наблюдений он сделал пятнадцать тысяч вот таких рисунков.

Сравнение спектра Солнца с тёмными линиями поглощения со спектром движущейся звезды. Смещение спектральных линий позволяет вычислить скорость звезды и направление её движения.

В 1909 году Лоуэлл написал Слайферу письмо, в котором предлагал получить спектры светлых спиральных туманностей, видимых среди звёзд нашей Галактики. Спирали в них заметил ещё в середине XIX века ирландский астроном-любитель лорд Росс (1800-1867), но природа «облачков» оставалась до конца неясной. Некоторые учёные полагали, что облачка — это далёкие внегалактические объекты, другие считали их внутригалактическими туманностями, закрученными спиралями вокруг отдельных звёзд.

Лоуэлл поставил перед Слайфером очень сложную задачу. Свет таких туманностей слишком слаб, чтобы его можно было поймать и разложить обычным спектрографом, запечатлев на фотопластинке. Для получения изображения туманности на фотопластинке с низкой светочувствительностью требовалась тридцатичасовая выдержка. А спектрограф с его многочисленными призмами отбирал столько света, что получить спектры таких слабых объектов становилось просто нереально.

Директор Ликской обсерватории доктор Уильям Кэмпбелл (1862- 1938) — специалист в области измерения радиальных скоростей космических объектов — даже на своём крупном телескопе ещё не мог измерить спектры спиральных туманностей и всюду говорил, что хорошо бы научиться определять скорости движения туманностей. Ликская обсерватория была давним соперником Лоуэлловской об серватории, и Весто Слайферу захотелось утереть нос Кэмпбеллу.

Невозможное часто становится возможным, но только если хорошенько подумать. Начать охоту Слайфер решил с туманности Андромеды — самой яркой из туманностей. Но и её свет очень слаб, и накопить его не просто. Для того чтобы «поймать» Андромеду, Слайфер модернизировал спектрограф: выбросил все призмы, кроме одной. Это увеличило количество света, падающего на пластинку, но спектральные полоски стали такими узкими, что изучать их удавалось только с помощью микроскопа. Зато в итоге получился спектрограф, который работал в 200 раз быстрее прежнего инструмента.

Туманность Андромеды (М31 по каталогу Мессье) — спиральная галактика, ближайшая к Млечному Пути. Расположена в созвездии Андромеды на расстоянии от Земли 2,5 миллиона световых лет. Фото НАСА.

Первый спектр туманности Андромеды Слайфер снял 17 сентября 1912 года. Экспозиция заняла почти семь часов. Появившаяся вскоре комета отняла у наблюдателя весь октябрь, но в середине ноября Слайфер вернулся к Андромеде и получил ещё один её спектр, накапливая свет в течение двух ночей: в первую — восемь часов, во вторую — шесть, потом вмешивалась Луна, засвечивающая небо.

В начале декабря Слайфер снял ещё одну фотопластинку со спектром Андромеды с экспозицией 13,5 часа. В середине декабря в обсерваторию привезли микроскоп, и Слайфер приступил к изучению полученных спектров. Оказалось, что они значительно смещены в фиолетовую зону. Значит, Андромеда быстро движется в сторону Земли?! Слайфер был удивлён и взволнован: не вкралась ли в измерения какая-нибудь ошибка?

Учёный решил провести ещё один сеанс наблюдений и приступил к нему 29 декабря. Из-за плохой погоды в первую ночь удалось поработать лишь часа четыре. Слайфер плотно закрыл пластинку в спектрографе и продолжил наблюдения в следующую ночь. Семь часов он собирал свет Андромеды, но остался недоволен общим временем экспозиции и вернулся к телескопу в новогоднюю ночь. К полуночи погода испортилась. Слайфер с досадой закрыл телескоп и «спустился на землю», к людям — пить шампанское и делать всё, что полагается на Новый год.

В январе 1913 года Слайфер начал детально исследовать все четыре полученных спектра туманности Андромеды. Результат потряс астронома. Учёный ожидал получить обычные скорости звёзд относительно Земли — 10-15 километров в секунду. Такие же скорости должны иметь спиральные туманности. Если же туманность Андромеды — большое внегалактическое скопление звёзд, то такому космическому объекту полагалось, по общему мнению, ещё медленнее «плавать» в пространстве — как крупным китам. А по спектрам Слайфера выходило, что туманность Андромеды летит к Солнцу с сумасшедшей скоростью — 300 километров в секунду, или больше миллиона километров в час!

Что за космическое чудо поймал Слайфер своей стеклянной пластинкой? Если такая скорость реальна, то туманность Андромеды не может принадлежать нашей Галактике, потому что гравитационное поле Млечного Пути не способно удержать в своих пределах такие быстрые объекты. Но если туманность Андромеды — внегалактический объект, его огромная скорость переворачивает все традиционные представления о космосе!

Понимая, что ошибка тут недопустима, Слайфер отправил копию полученных спектров в Ликскую обсерваторию, астроному Эдварду Фэту (в английском написании — Fath, годы жизни 1881-1959), который тоже занимался изучением космических спектров.

Когда Фэт получил данные Слайфера с просьбой независимой их проверки, то испытал горчайшее разочарование — ведь ещё в 1908 году он снял на крупнейшем 36-дюймовом Ликском телескопе спектр Андромеды и обнаружил в нём сильное синее смещение линий! Но Фэт даже не мог вообразить, что Андромеде присущи такие скорости движения, и без колебаний отнёс результат к неисправности спектрографа. И вот он смотрит на аналогичный, но гораздо более убедительный результат, полученный Слайфером на меньшем телескопе, и понимает, что упустил свой звёздный час!

Пришёл февраль, и вместе с ним пришла уверенность Слайфера в правильности полученных результатов. Он публикует в бюллетене Лоуэлловской обсерватории краткую заметку всего из девяти абзацев. Новость об измерении скорости движения Андромеды производит в астрономическом обществе эффект разорвавшейся бомбы. Отклики приходят в основном положительные, но находятся и скептики вроде директора Ликской обсерватории Уильяма Кэмпбелла, который считает, что столь экстремальная скорость Андромеды подозрительна. Вскоре скорость движения Андромеды, измеренную Слайфером, подтвердили и данные сотрудников Ликской обсерватории.

Слайфер раскопал «золотую жилу» и не думал останавливаться: он взялся за получение спектров других туманностей. Но задача оказалась ещё труднее, потому что эти спиральные облачка светились гораздо слабее туманности Андромеды.

Слайфер измерил спектр туманности Сомбреро и нашёл, что она движется со скоростью 1000 километров в секунду — в три раза быстрее туманности Андромеды и в противоположном направлении — от Солнца!

К лету 1914 года Слайфер измерил спектры 15 туманностей. Это был настоящий научный подвиг. Каждая пластинка требовала экспозиции 12- 14 часов, что означало наблюдение в течение нескольких ночей. Но если не менять положение телескопа, то выбранная звезда или туманность быстро покидают поле его зрения. У современных телескопов есть точные электрические моторы, которые медленно поворачивают инструмент вслед за наблюдаемым объектом, компенсируя вращение Земли. Старые телескопы, включая тот, что был в Лоуэлловской обсерватории, имели только ручное управление. Слайфер не мог отойти от телескопа и спектрографа ни на шаг, всё время вручную подкручивая колесики и рукоятки и меняя направление инструмента.

— Как вы смогли так долго стоять у телескопа? — поражённо спрашивали Слайфера другие астрономы. Он сухо отвечал:

— Я прислонялся к нему.

Суммарный результат наблюдений 15 туманностей получился ещё более впечатляющим, чем наблюдение Андромеды и Сомбреро в отдельности. Слайфер не любил публичности, но в августе 1914 года он выступил на собрании американского Астрономического общества с докладом о своих исследованиях скоростей туманностей. Результат потряс всех: только три туманности, включая Андромеду, приближаются к Млечному Пути; двенадцать остальных отдаляются от Солнца, то есть разбегаются в разные стороны!

После окончания доклада весь зал встал и устроил Слайферу овацию. Вместе с другими астрономами аплодировал и будущий знаменитый астроном Эдвин Хаббл (1889-1953), которого тогда только что приняли в Астрономическое общество.

Известный датский астроном Эйнар Герцшпрунг (1873-1967) и другие учёные, включая Кэмпбелла, поздравляли Слайфера с важным открытием и привыкали к новому видению мира. Стало понятно, что туманности — такие же галактики, как и наш Млечный Путь. Но оставалось непонятным, что заставляет их разбегаться в разные стороны.

В апреле 1917 года Слайфер выступил на конференции в Филадельфии. К тому времени он измерил скорости 25 галактик, и только четыре из них двигались к Солнцу, остальные разбегались. Слайфер сказал, что это выглядит так, словно галактики отчего-то рассеиваются в пространстве.

Группа первых в мире женщин-астрономов, работавших в Гарвардской обсерватории. Эти трудолюбивые дамы ввели всемирно известную классификацию звёзд: O, B, A, F, G, K, M. Фотография из книги Х. Купера и Н. Хенбеста «История астрономии».

В это время в Европе происходили важные события: в 1915 году немецкий физик Альберт Эйнштейн (1879- 1955) вывел уравнения гравитации — общую теорию относительности. В ноябре 1917 года нидерландский астроном Виллем де Ситтер (1872-1934) показал, что при некоторых условиях уравнения Эйнштейна имеют решение, согласно которому Вселенная нестационарна и галактики в ней могут разлетаться в разные стороны. Де Ситтер первый употребил термин «разбегающаяся Вселенная».

Английский астрофизик Артур Эддингтон (1882-1944) в 1923 году связал теорию де Ситтера с наблюдениями Слайфера (к тому времени тот уже измерил скорости 41 галактики, и только пять из них двигались к Солнцу) и пришёл к заключению, что скорость движения галактик должна возрастать с увеличением расстояния до них.

Расстояния до других галактик были известны очень плохо. И директор Гарвардской обсерватории Эдуард Пикеринг (1846-1919) пошёл против существовавших обычаев, пригласив для обработки многочисленных фотографий звёзд группу женщин-астрономов. С одной стороны, Пикеринг открыл женщинам дорогу в профессию, с другой — оказался экономным директором, потому что в конце XIX века зарплата женщин была в два раза меньше зарплаты мужчин, делавших ту же работу.

Гарвардская группа женщин-астрономов ввела современную классификацию звёзд: O, B, A, F, G, K, M («Oh Be A Fine Girl, Kiss Me!» Русская фраза для запоминания не так интересна: «Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковь»). Генриетта Ливитт (1868-1921), работавшая в группе с 1893 года до конца жизни, сделала фундаментальное открытие, которое позволило определить расстояния до других галактик.

На фотопластинках, полученных в Перу, Ливитт нашла две с половиной тысячи переменных звёзд. Особенно яркие из них — цефеиды*. Предшественник Генриетты Ливитт двадцатилетний любитель астрономии Джон Гудрайк (1764-1786) ещё в 1784 году открыл переменность звезды дельта Цефея, яркость которой колебалась с периодом 5 дней и 9 часов.

____________________

[* Цефеиды — класс пульсирующих переменных звёзд, названный в честь звезды дельта Цефея, эти жёлтые гиганты в 103-105 раз ярче Солнца.]

Так уж получилось, что в детстве Генриетта Ливитт, как и Джон Гудрайк, потеряла слух из-за болезни, но биение звёзд и музыку космических сфер они слышали превосходно. Ливитт нашла замечательный способ измерять межгалактические расстояния. Она заметила, что средняя яркость цефеид Малого Магелланового Облака растёт с длительностью периода их пульсаций. Значит, измеряя периодичность цефеид, можно найти их истинную яркость. Учитывая, что с увеличением расстояния наблюдаемый блеск объектов падает, определить расстояние до цефеид достаточно легко.

Цефеиды стали для астрономов настоящими межгалактическими маяками, хотя, конечно, обнаружить и исследовать эти жёлтые гиганты, расположенные в других галактиках, очень непросто. Лишь в 1929 году Эдвин Хаббл на 100-дюймовом телескопе обсерватории Маунт-Вильсон сумел найти достаточное количество внегалактических цефеид и измерить расстояния до ближайших галактик. Он сравнил скорости разбегания галактик, найденные Слайфером, с расстояниями до них и доказал, что Эддингтон был прав — между скоростью и расстоянием существует линейная зависимость, известная сейчас как закон Хаббла.

История склонна к упрощению — во многих популярных книгах и даже в учебниках астрономии можно прочитать о том, что разбегание галактик открыл Хаббл. Это неверно: фундаментальный факт разбегания галактик открыл и исследовал Весто Мелвин Слайфер — скромный и упорный труженик науки. Со временем он стал директором Лоуэлловской обсерватории, руководил поиском планеты Плутон и умер в возрасте 94 лет.

Туманность Андромеды, первая изученная Слайфером, расположена к нам ближе всех и вследствие гравитационной связи с нашей Галактикой не подчиняется закону расширения. Через пять миллиардов лет туманность Андромеды даже может столкнуться с нашей Галактикой. В это время в небе Земли будет виден перекрёсток двух млечных путей.

Столкнётся туманность Андромеды с нашей Галактикой или пролетит мимо? На этот вопрос ответа ещё нет. Чтобы его найти, нужен упорный человек, влюблённый в звёзды, способный расспросить их о космических тайнах и расслышать ответ.

«Наука и жизнь» № 4, 2011.

Content

Ник. Горькавый
Сказка об астрономе Слайфере

СКАЗКА ОБ АСТРОНОМЕ СЛАЙФЕРЕ, КОТОРЫЙ ОТКРЫЛ РАЗБЕГАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ

Весто Мелвин Слайфер (1875-1969) — астроном Лоуэлловской обсерватории (с 1916 по 1952 год её директор), открывший разбегание галактик.

Персиваль Лоуэлл (1855- 1916) — дипломат, востоковед, бизнесмен и астроном, основавший Лоуэлловскую обсерваторию.

Туманность Андромеды (М31 по каталогу Мессье) — спиральная галактика, ближайшая к Млечному Пути. Расположена в созвездии Андромеды на расстоянии от Земли 2,5 миллиона световых лет. Фото НАСА.

Группа первых в мире женщин-астрономов, работавших в Гарвардской обсерватории. Эти трудолюбивые дамы ввели всемирно известную классификацию звёзд: O, B, A, F, G, K, M. Фотография из книги Х. Купера и Н. Хенбеста «История астрономии».