Открытие Галактики: как астрономы определили наше место во Вселенной
Вихревой мирСлово «галактика» с греческого можно перевести как «молоко». И действительно, некоторые античные философы (например, Анаксагор и Демокрит) называли туманную полосу света, наблюдаемую в ночном небе, «молоком звёзд». Отсюда и произошло её современное название — Млечный Путь (Via Lactea).Первооткрывателем Галактики как системы звёзд по праву считается итальянский учёный Галилео Галилей. Начав астрономические наблюдения с помощью своего телескопа, он сразу обнаружил, что Млечный Путь состоит из множества отдельных светил, как и утверждали древнегреческие предшественники. В марте 1610 года Галилей опубликовал отчёт «Звёздный вестник» о своих открытиях, где среди прочего сообщал:Галилео ГалилейГалактика [Млечный Путь] есть на деле не что иное, как масса бесчисленных звёзд, собранных в скопления. Куда ни повернёшь трубу, повсюду взору открывается великое множество звёзд. Многие из них довольно крупные и яркие, число же звёзд помельче исчислить невозможно.Там же он заявил, что, по-видимому, все светящиеся туманности, которые на тот момент были известны астрономам, подобны Галактике и тоже представляют собой скопления звёзд, даже если в телескоп кажутся размытыми пятнами.Хотя теологи и римская инквизиция осудили Галилея за критику геоцентризма, заставив отречься от убеждений, его открытия «отменить» было нереально, ведь они подтверждались другими наблюдателями. Силясь согласовать геоцентрическую и гелиоцентрическую системы, а также объяснить факт существования множества звёзд в Млечном Пути, учёные начали придумывать довольно причудливые модели мироустройства.Наибольшую известность в то время получила «вихревая» теория французского философа-математика Рене Декарта. Он исходил из предположения, что все частицы Вселенной пребывают в непрерывном вихреобразном движении. В центре одного такого вихря располагается Солнце, а Земля движется вокруг него внутри собственного вихря, оставаясь неподвижной относительно него. Декарт распространял этот принцип на звёзды, показывая гипотетическую возможность того, что существуют другие планетные системы, но находятся они внутри своих вихрей, которые из-за удалённости мы не способны различить.Английский физик Исаак Ньютон полагал, что движением всех тел управляет гравитация, и отверг «вихревую» теорию, предложив свою. По его мнению, если бы Вселенная была ограничена некими сферами, как утверждают христианские теологи, то взаимное притяжение частиц собрало бы их в «одну массу». Однако если Вселенная безгранична, то они сгущались бы тут и там, «образуя бесконечное число масс, разбросанных на огромном расстоянии друг от друга». Притом Ньютона озадачивало, что материя разделилась на «светящуюся», из которой состоят Солнце и звёзды, и «тёмную», сформировавшую планеты. Он не мог объяснить такое разделение и видел в нём проявление божественного вмешательства.Куда смелее оказался немецкий философ Иммануил Кант. Опираясь на труды Ньютона и накопленные к середине XVIII века астрономические сведения, он провёл аналогию между Солнечной системой и звёздами. Он прозорливо утверждал, что чем плотнее и массивнее тело, тем оно больше разогревается, а с определённого момента превращается в светило. Следовательно, сгущение частиц само по себе со временем породит новую звезду, а из тёмного остатка сформируются планеты.Но и сами звёзды, входящие в Млечный Путь, движутся непрерывно вокруг некоего центрального тела, которым Кант считал Сириус. Принимая как данность, что и отдельные небесные туманности состоят из звёзд, философ уверенно писал: Иммануил КантВсё это заставляет нас считать эти эллиптические фигуры такими же системами миров и, так сказать, млечными путями.Кант также высказывал уверенность, что у самой Вселенной есть центр, к которому «направлены все её части без исключения». Но отказывался принять новейшую теологическую идею, что «в этом блаженном месте восседает, как на троне всей природы, некое могучее богоподобное существо, одарённое духовными силами притяжения и отталкивания». Он пришёл к выводу, что в пространстве, где масса и сила притяжения больше, все процессы идут медленнее или даже останавливаются, поэтому вряд ли там возможно существование разумных форм жизни.Похожие мысли высказывал и немецкий математик Иоганн Ламберт. Правда, он считал, что Млечный Путь — не одна, а несколько звёздных систем, и расстояния между ними меняются, создавая видимость их хаотичного расположения на небе. Кроме того, Ламберт утверждал, что в центре Вселенной должно находиться тело колоссальных размеров, которое можно было бы разглядеть с Земли. А поскольку астрономы его не видят, значит, оно не только огромное, но и очень тёмное. Здесь математик фактически описал сверхмассивную чёрную дыру.С позиции современных знаний о галактиках кажется, что мыслители XVIII века были близки к правильным выводам о мироустройстве — с поправкой на веру в существование единого центра: его можно считать рудиментом, доставшимся в наследство от прошлых представлений.Однако развитие методов астрономических наблюдений парадоксальным образом привело к тому, что маятник теоретических построений качнулся обратно — в сторону доктрины об уникальности нашего места во Вселенной.Загадка туманностейВ том же XVIII веке учёные начали изучать туманности систематически. В 1784 году французские астрономы Шарль Мессье и Пьер Мешен составили список 103 туманных объектов и скоплений, которые обнаружили в течение 30 лет «охоты» за кометами. Их труд стал основополагающим для поколений учёных: астрономы до сих пор пользуются обозначениями туманностей и галактик по каталогу Мессье.Впрочем, сами авторы списка воздержались давать какие-либо пояснения по поводу природы светящихся небесных пятен, ведь их больше интересовали кометы. Этим вопросом занялся английский астроном немецкого происхождения Уильям Гершель. В марте 1781 года он открыл планету Уран, в одночасье став самым авторитетным наблюдателем своего времени, и получил возможность много лет вести исследования за счёт казны короля Георга III. Он начал строить большие телескопы и, конечно, изучать туманности по каталогу Мессье.Первые наблюдения позволили Гершелю подтвердить догадки предшественников. Он писал:Уильям ГершельЯ с большим удовольствием убеждался, что большинство туманностей, которые мне удавалось исследовать в надлежащих условиях, не могли устоять перед увеличением моего телескопа и разрешались на звёзды.За семь лет он обнаружил две тысячи новых туманностей, причём некоторые из них выглядели весьма причудливо.Теперь Гершель взялся определить, где находятся открытые им звёздные скопления: внутри Млечного Пути или за его пределами, представляя собой независимые системы. При этом астроном ошибочно предположил, что у всех звёзд одинаковая или почти одинаковая светимость, а значит, по их яркости можно судить об их удалённости от нас: яркие ближе, тусклые — дальше. Гершель верил, что, сосчитав самые тусклые звёзды в разных направлениях, сможет определить границы Галактики и её форму. В итоге у него получилось нечто, похожее в разрезе на уродливого рака. Это смутило астронома: он ожидал увидеть более упорядоченную систему.В 1785 году Гершель открыл класс туманностей, которые ввергли его в полную растерянность. Он назвал их планетарными, потому что они отдалённо напоминали диски планет. Астроном предположил, что эти странные объекты находятся за пределами Млечного Пути и на них можно ориентироваться при построении более достоверной модели галактического окружения. В тот же период Гершель описал необычные «туманные звёзды» — светила со столь обширной «атмосферой», что их можно принять за скопления звёзд.Перебирая различные объяснения новым наблюдениям, Гершель сделал вывод: многие туманности состоят не из звёзд, а из светящегося газа. Поскольку его предшественники утверждали, что светила образуются из сгущений частиц, которые падают друг на друга под действием силы взаимного тяготения и разогреваются, астроном решил, что воочию наблюдает эволюцию звёзд. Иными словами, туманности, которые при наведении на них телескопа не «разрешаются» на отдельные звёзды, — это формирующиеся молодые миры.Конечно, Гершель сознавал, что его открытие произведёт революцию в космологии, поэтому решил удостовериться в верности своих наблюдений. В 1790 году он обратился к коллегам, имевшим доступ к хорошим телескопам, с просьбой проверить его исследование. Однако в то время такого же увеличения, как у инструментов Гершеля, не давал ни один телескоп, так что астрономам приходилось принимать на веру то, что он утверждал.В июне 1811-го Гершель (ему было тогда 73 года) опубликовал большую статью под громоздким названием «Астрономические наблюдения, касающиеся строения небес, собранные с целью критического их рассмотрения, результат какового, по-видимому, проливает некоторый новый свет на устройство небесных тел». В ней он утверждал, что туманности состоят из светящегося газа, причём бóльшую яркость некоторых из них можно объяснить бóльшим сжатием вещества внутри. По мере эволюции туманность становится шарообразной, а ядро разгорается ярче. Звёзды, видимые в границах туманности, находятся далеко за ней; часть их света поглощает газ, и потому они выглядят более тусклыми. Туманности очень быстро меняют форму: планетарные, вероятно, скоро превратятся в «туманные звёзды», а те, в свою очередь, со временем станут «нормальными» светилами, окружёнными планетами.Позже Гершель развил свою теорию, заявив, что туманности из газа и туманности из звёзд представляют собой две «крайние противоположности» в эволюции небесных тел: первые демонстрируют рождение нового мира, вторые — его зрелость, когда нормальные звёзды сближаются друг с другом под действием гравитации. Из всего этого можно сделать вывод, что туманности нельзя считать иными галактиками, они часть нашего Млечного Пути, который простирается в бесконечность.Звёздные островаПревосходство Гершеля как астронома, располагавшего самыми мощными наблюдательными инструментами, способствовало тому, что его теория туманностей оставалась общепринятой до начала ХХ века. Учёные, открывавшие необычные объекты в мире звёзд, так или иначе утверждали её.К примеру, ирландец Уильям Парсонс, 3-й граф Росс, построивший в 1845 году крупнейший телескоп «Левиафан», изучал туманность М 51 (это число — порядковый номер по каталогу Мессье), которую считали «кольцевой», и обнаружил, что на самом деле она спиральная.Оценивая свои и чужие наблюдения, Парсонс писал:Уильям ПарсонсКак мы замечаем, с каждым последующим возрастанием оптической силы инструментов её строение становится всё более сложным и всё более непохожим на то, что могли бы представить себе, исходя из любых форм, возникающих по законам динамики… Представляется в высшей степени сомнительным, что такая система могла бы существовать без внутреннего движения.Открытие Парсонса вызвало у коллег понятное волнение: оно давало надежду увидеть сам процесс эволюции туманностей и получить больше знаний об их природе. Вывод о том, что спиральная туманность М 51 должна вращаться, напрашивался сам собой, но граф воздержался от него, заявив:Уильям ПарсонсВ настоящее время было бы бессмысленным гадать о динамическом состоянии подобной системы — оно, очевидно, должно быть гораздо более сложным, чем у обычных шаровых скоплений… Их сходство с предметами, плывущими в водовороте, разумеется, должно дать толчок воображению, хотя существование там таких условий невозможно.Теорию Гершеля поставили под сомнение, когда появилась спектроскопия — метод, позволяющий достаточно точно определять химический состав небесных тел по линиям в расщеплённом призмой свете. Одним из пионеров передового астрономического метода был англичанин Уильям Хаггинс, построивший домашнюю обсерваторию.Изучив состав нескольких звёзд, в 1864 году Хаггинс решил исследовать планетарную туманность Кошачий Глаз (NGC 6543) в созвездии Дракона и с удивлением обнаружил, что её свет не раскладывается на спектр, подобный солнечному. Астроном почти сразу понял, что открыл способ разделить туманности на два типа по их спектру: звёздные дают полный набор цветов, как Солнце, а в случае газовых всё ограничится изолированными линиями, как у пламени. Через несколько дней, наведя телескоп на туманность Андромеды (М 31, NGC 224), Хаггинс убедился, что её свет раскладывается на полный спектр, поэтому она, вероятно, содержит множество звёзд. Исследовав 60 других туманностей, учёный установил, что примерно треть из них можно отнести к газовым, а остальные — к звёздным.В то же самое время в спектроскопической астрономии нашёл применение эффект, открытый австрийским физиком Кристианом Доплером: если источник света приближается к наблюдателю, наблюдаемая частота волны его излучения растёт, а если источник отдаляется, то частота уменьшается. Если звезда движется от наблюдателя, то все характерные черты её спектра смещаются в сторону красного конца — это называется красным смещением; если звезда приближается, то смещение происходит к фиолетовому концу (фиолетовое или синее смещение). Хаггинс первым зафиксировал красное смещение в спектре Сириуса, доказав, что он удаляется от Солнца. Таким образом стало понятно, что звёзды действительно движутся друг относительно друга, а не покоятся внутри статичной системы.Однако всё ещё не было ясности, какую форму имеет Млечный Путь и где проходят его границы. К началу ХХ века учёные рассматривали три модели устройства Галактики: звёздный диск с центральным сгущением, бесконечный плоский слой звёзд или же центральное облако, окружённое обособленным кольцом звёзд. Рассуждая логически, учёные заключили, что выяснив, какой вид имеет Млечный Путь, они закроют и споры о его уникальности. Если среди далёких звёздных туманностей обнаружится похожий объект, значит, наша Галактика — одна из многих.В 1900 году голландский журналист и астроном-любитель Корнелис Истон опубликовал статью «Новая теория Млечного Пути», где утверждал, что наша Галактика должна со стороны напоминать спиральную туманность. Он обратил внимание на две черты видимого Млечного Пути: во-первых, его яркость значительно различается в разных частях неба; во-вторых, в нескольких местах его полоса раздваивается. Если бы предполагаемое звёздное кольцо было однородным, а Земля лежала бы вне его центра (так объясняется плавное возрастание и убывание яркости Млечного Пути), мы видели бы более широкую, но и более разрежённую полосу звёзд там, где находимся ближе к ней. Кроме того, яркость каждого участка полосы была бы одинаковой. Но в реальности Млечный Путь выглядит не так, поэтому Истон заменил кольцо спиралью: её витки в проекции могут создавать области большей яркости. Центр спирали он поместил в звёздных облаках в созвездии Лебедя и предположил, что Солнце располагается примерно на одной трети расстояния от центра до края.Некоторые астрономы полагали, что если Млечный Путь окажется спиральной туманностью, то все видимые в небе спиральные объекты можно будет считать «звёздными островами» — или «островными вселенными», как тогда называли иные галактики, чьё существование ещё требовалось доказать. Но Истон не решился это утверждать, сообщив, что они, похоже, входят в состав Млечного Пути.В 1914 году английский астрофизик Артур Эддингтон, который первым понял и описал процесс горения звёзд, подвёл промежуточный итог дискуссии о «звёздных островах»: Артур ЭддингтонПрямых данных, позволяющих установить, находятся ли эти объекты внутри или вне нашей звёздной системы, у нас не имеется вовсе.Действительно, способов измерить расстояния до звёздных облаков, скоплений или туманностей не было, а без этой информации нереально определить размеры изучаемых объектов, как и сделать вывод об их подобии Млечному Пути.Расширяющаяся ВселеннаяКлюч к решению проблемы нашла Генриетта Ливитт, американский астроном. Она изучала переменные звёзды в Малом Магеллановом Облаке — массе звёзд, скоплений и туманностей в небе Южного полушария. В 1908 году она установила, что звёзды с самым длинным периодом колебаний блеска обладают и наибольшей яркостью. Переменные звёзды были во множестве обнаружены и в Млечном Пути. Их назвали цефеидами, от дельты Цефея — первой из открытых переменных звёзд этого типа.На работу Ливитт обратил внимание молодой астроном Харлоу Шепли; именно он придумал метод для определения расстояния до двойных звёзд, где одна звезда заслоняет другую, из-за чего меняется блеск обеих. Конечно, цефеиды были не двойными, а пульсирующими звёздами, но Шепли осознал, что они должны обладать схожими характеристиками светимости. Следовательно, чем дальше цефеида, тем она тусклее. Фактически учёный определял космическое расстояние, используя критерий Гершеля, но, в отличие от предшественника, опирался на более достоверные данные о звёздах. Зная, как меняется блеск пульсирующих цефеид, можно установить, как меняется их размер, а отсюда и вычислить, на каком расстоянии они находятся.Определив расстояние до цефеид в 69 звёздных скоплениях, Шепли получил карту системы, где Солнце находится на периферии. Он предположил, что по расположению скоплений можно определить место, где находится центр нашей Галактики, и её диаметр. У него получилось, что она должна простираться на 300 тысяч световых лет (сегодня мы знаем, что астроном переоценил светимость цефеид и ошибся, а реальный диаметр составляет примерно 100 тысяч световых лет).Вычисления Шепли произвели сенсацию, и в 1920 году Национальная академия наук США устроила публичное обсуждение новых открытий. Шепли вышел победителем из дискуссии, показав коллегам фантастическую огромность нашего мира. Но при этом он всё же не смог признать, что «звёздные острова» — такие же галактики, как наша.Ответ на ключевой вопрос космологии нашёл астрофизик Эдвин Хаббл. В своей диссертации «Фотографические исследования слабых туманностей», которую он защитил в 1917 году, учёный уверенно высказался в пользу предположения, что спиральные туманности находятся вне нашей звёздной системы. Однако требовались конкретные факты. Изучая с помощью новейшего телескопа туманность NGC 6822 в созвездии Стрельца (формой она напоминала Малое Магелланово Облако), Хаббл обнаружил в ней одиннадцать цефеид. Используя методику Шепли, он установил, что изучаемый объект отделяет от нас 700 тысяч световых лет, то есть он за пределами Галактики.Кроме того, астрофизик подсчитал количество самых ярких звёзд в NGC 6822 и, построив график зависимости числа звёзд от их видимой величины, получил такую же кривую, какую получали его предшественники для ближнего звёздного окружения Солнца. Основываясь на принципе единообразия природы, Хаббл сделал вывод:Эдвин ХабблNGC 6822 является изолированной системой звёзд и туманностей типа Магеллановых Облаков, хотя несколько уступает им по величине и находится гораздо дальше.Далее Хаббл нашёл 35 цефеид в спиральной туманности М 33 и показал, что она расположена в 800 тысячах световых лет от нас. Затем он обратил внимание на туманность Андромеды и установил, что она подобна М 33 и удалена от нас на 900 тысяч световых лет. Позднее выяснилось, что он сильно преуменьшил межгалактические расстояния, но и этих цифр оказалось достаточно. В январе 1925 года астрофизик с уверенностью объявил, что исследованные им объекты — такие же галактики, как наша.Впрочем, главное открытие было у него впереди. В 1929 году Хаббл, определив расстояние до двух десятков «звёздных островов» и добавив к этим сведениям анализ красного смещения в галактических спектрах, заявил, что все галактики мчатся сквозь космос друг от друга со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию между ними. То есть Вселенная быстро расширяется, причём если повернуть процесс вспять, то получится, что около десяти миллиардов лет назад все галактики были единым целым.Открытия Хаббла позволили обосновать теорию Большого взрыва, на которую опирается здание современной физики.