Помоги проекту - поделись книгой:
Мы привыкли к тому, что сила тяжести меняет маршрут материи. Если вы пнете футбольный мяч и он полетит под углом вверх, то сила тяжести рано или поздно изменит траекторию мяча так, что он повернется и упадет на землю. Изменения в направлении света для нас также не новость. Например, мы используем стеклянные линзы для создания очков, увеличительных луп и микроскопов. Но сила тяжести абсолютно так же влияет на траекторию света. Это явление впервые описано Эйнштейном в начале XX века в рамках теории относительности и с тех пор изучено в ряде экспериментов.
Немногие — скорее, вообще никто — замечают игру гравитационной линзы со зрительным восприятием по дороге на работу или обратно. Причина этому достаточно простая: явление совершенно незаметно, если только мы не наблюдаем за огромными расстояниями и мощной силой тяжести. Если мы, например, переключим внимание с Земли на скопления галактик и большое количество материи, то увидим как невероятные расстояния, так и большое количество материи, которые, в свою очередь, создают сильнейшую гравитацию. Тогда и можно наблюдать гравитационное линзирование.
Вы когда-нибудь смотрели на свечу сквозь основание ножки винного бокала? Помните же, как причудливо изгибается и искажается пламя. Пламя искажается, а степень искажения зависит от формы ножки. Искажение пламени свечи в этом случае очень напоминает искажение света в гравитационной линзе.
Скопление галактик в этом случае заменяет ножку бокала. Отдаленные галактики за скоплением галактик выступают в качестве свечи. Форма далеких галактик будет искажаться при прохождении света через скопление галактик. Из-за этого искажения свет принимает дугообразные и округлые формы, а галактики видно одновременно в нескольких местах на небе. Чем больше материи в скоплении галактик, тем сильнее действует сила тяжести и тем сильнее будет искажено изображение отдаленных галактик. Изучая форму далеких галактик, видимых через разные части скопления галактик, мы можем таким образом создать карту распределения вещества в скоплении галактик. На этой карте будет также отражена и темная материя, поскольку она создает гравитационную силу.
Скопление галактик Abell 2218 — красивый пример гравитационного линзирования. Длинные дуги — это свет от лежащих позади галактик, сгибаемый гравитацией Abell 2218.
На этом снимке изображено скопление галактик Abell 2218 — одна из самых красивых из известных нам систем гравитационных линз. Все тонкие арки, которые вы видите на картинке, представляют собой далекие галактики, где свет был повернут силами гравитации. Когда смотришь на скопление галактик на заднем плане, то благодаря гравитационным силам ощущение такое, будто разглядываешь празднично освещенную рождественскую елку через бокал красного вина. То, насколько изгибаются отдаленные галактики, позволяет определить количество вещества в скоплении.
И хотя скопление Пуля не может предоставить такие же арки их линз, как Abell 2218, мы все же в состоянии найти достаточно искаженных галактик, чтобы определить, сколько вещества находится в разных местах скопления. Именно это и стало основанием для синих пятен, выявляющих темную материю.
Гравитационное линзирование — очень мощный инструмент, позволяющий примерно рассчитать массу скопления галактик. Уникальная особенность скопления галактик Пуля — это мощное столкновение, которое разделило обычную и темную материю так, что они находятся в разных местах.
Было бы тяжело наблюдать за Пулей без упоминания темной материи. Рассуждения соблазнительно просты — так и тянет сразу сказать, что это скопление галактик дает нам неоспоримое доказательство существования темной материи.
На самом деле все наши рассуждения очень упрощены. Я писал, что газ в скоплении галактик сталкивается и останавливается в области столкновения. Но скопления галактик состоят не только из газа, а как минимум еще и из бесчисленных галактик с миллиардами звезд. Какова вероятность того, что при этом столкнутся две галактики? А если они столкнутся, то что? Мы уже поняли, какое расстояние между звездами в нашей галактике: кокос в Осло, грецкий орех в Сахаре и так далее. Следовательно, при столкновении галактик звезды расположатся на безопасном расстоянии друг от друга. На звезды и галактики действительно будут взаимно влиять гравитационные силы, и поэтому они начнут двигаться в новых направлениях и с новыми скоростями, однако никакого космического фейерверка не произойдет.
Возможно, галактики и звезды из двух скоплений проходят друг через друга и создают синие поля. Тогда при чем здесь темная материя? К сожалению, не все так просто. Если принять во внимание, что скопления галактик состоят из огромного количества звезд, сложно толковать изображение Пули без темной материи.
Но все же стоит помнить, что скопление галактик Пуля, несмотря на столь умно расположенные розовые и синие точки, не предоставляет нам никакого окончательного и достоверного доказательства существования темной материи. Ведь, как уже говорилось ранее, чтобы утверждать существование огромного количества необычной темной материи, нужно необычайно надежное доказательство. Недостаточно просто посмотреть на одно или парочку столкновений галактик: темную материю, скорее, стоит искать во множестве мест и при помощи множества наблюдательных техник. И уже впоследствии исключить возможность всех альтернативных объяснений. Например, саму темную материю мы не видим, а только ее воздействие на силу тяжести. Может, ошибается наш закон всемирного тяготения? И если темная материя существует, не должен ли он ее объяснять? Темная материя тоже состоит из маленьких частиц, как и все известные нам материи? И что же это тогда за частицы?
Вопросов много, а Пуля — лишь маленький кусочек пазла о темной материи, к которому на протяжении этой книги мы добавим еще немало других кусков.
Осознав, насколько необъяснимо огромное количество темной материи находится во Вселенной, начинаешь задумываться: а что мы вообще знаем про обычную, объяснимую материю? Как можно с уверенностью говорить о веществе, из которого состоят звезды и галактики, если они находятся за пределами нашего осязания?
2.2. Старый кофе и французская философия
Утро. Вы сонно исследуете кухню в поисках завтрака. Но странный предмет на кухонном столе между хлебными крошками и недочитанными газетами привлекает ваш взгляд — белая чашка. В ней можно различить мистическую жидкую черную субстанцию. «Кофе!» — радуетесь вы. Но в голову вам тут же закрадываются сомнения. Как узнать наверняка, что перед вами именно кофе? А если это соевый соус? Или старое машинное масло? Конечно, можно понюхать или попробовать субстанцию, но опыт подсказывает, что ваши ощущения в такую рань могут и подвести. Поэтому вы скорее отправите чашку своей подруге-химику и попросите провести тщательный анализ темной жидкости. В лаборатории подруга-химик серьезно подходит к просьбе. Она измеряет pH, температуру плавления и кипел кристаллизирует, хроматографирует, делает масс-спектрометрический анализ или что там еще делают химики. Вывод однозначен: в чашке кофе арабика темной обжарки с чайной ложкой сахара.
Выяснить, из какого вещества сделаны различные предметы, вполне реально. Однако предварительным условием для анализа кофе было то, что кофейная чашка здесь, на Земле, доступна для измерений и анализа. А как насчет предметов, находящихся в космосе, далеко за пределами досягаемости даже самого амбициозного аэрокосмического сценария? Как тогда понять, из чего состоят объекты?
Этот вопрос уже поднимался французским философом Огюстом Контом (1798–1857) в 1835 году. В своем главном научном труде, «Курсе позитивной философии», писал о звездах: «Мы осознаем возможность определения их строения, размеров, расстояний и движений; но мы никогда не сможем каким бы то ни было образом исследовать их химический состав…».
И, будучи философом, он не стремился к потенциальным техническим трудностям при определении химии небесных тел: он считал эту задачу принципиально невыполнимой Однако еще в 1814 году, до того, как Конт записал эти слова, немецкий оптик Йозеф Фраунгофер (1787–1826) разработал первый точный спектроскоп, инструмент, который через несколько лет докажет, что Конт ошибался.
2.3. Вещество и его далекие отпечатки пальцев
На свет можно смотреть как на волны, а если быть точнее, то свет — это одна из форм того, что мы называем электромагнитными волнами. Как и большинство волн, световые волны могут иметь различную длину. Эти различные длины отвечают за разные цвета. Самые длинные из доступных нашему глазу электромагнитных волн мы воспринимаем как красный цвет, а самые короткие — как синий или фиолетовый. Все остальные цвета радуги располагаются между ними.
Белый цвет, который излучают Солнце и другие звезды, — это смесь всех существующих цветов. Эти цвета становятся различимы глазу в радуге. Тут их свет разделяют малюсенькие капли дождя. Все цвета, из которых и состоит белый, преломляются в немного различных направлениях и превращаются в красочную дугу на небе. Спектроскоп, разработанный Фраунгофером, представляет собой очень точную радужную машину — аппарат, с помощью стеклянной призмы или мелкоячеистой решетки расщепляющий свет на все его цвета.
Первым делом Фраунгофер нацелил свой спектроскоп на Солнце. Свет разделился во всех цветах радуги, но с нерегулярными интервалами — в цветовом спектре можно было четко выделить темные линии. Некоторые цвета отсутствовали. Почему?
Недостающие цвета в солнечном свете, которые Фраунгофер наблюдал в 1814 году. Сегодня эти темные линии называются «Фраун-гоферовы линии». Они показывают нам, какие газы находятся в атмосфере Солнца.
На этот вопрос смогли ответить в 1859-м, через 24 года после заявления Конта о неподдающейся анализу природе небесных тел. Тогда немецкий физик Густав Кирхгоф вместе со своим соотечественником химиком Робертом Бунзеном продемонстрировал, что отсутствующие линии в солнечном спектре точно соответствуют линиям, которые можно наблюдать в лаборатории от известных светящихся газов. «Отпечатки пальцев» лабораторных газов были идентичны «отпечаткам», наблюдаемым у Солнца. Таким образом, вопреки утверждению Конта, им удалось установить химический состав поверхности Солнца. Линии в спектре света называются спектральными линиями.
Спектральные линии и сегодня широко используются в астрофизике, а значение спектроскопии для современной астрономии и, в частности, для поиска темной материи и темной энергии практически невозможно переоценить.
Видимый нам свет — это лишь малая часть того, что мы называем электромагнитным спектром.
Электромагнитный спектр\ от самых длинных радиоволн до кратчайших гамма-лучей. В середине находится видимый свет.
Я уже упоминал, что красный свет — самая длинная видимая волна, а самая короткая — та, которую мы воспринимаем как синий. Волны цветов видимого излучения находятся в диапазоне 380 и 760 нанометров, где нанометр — это 10-9 м, или одна миллиардная метра. Более длинные волны называются инфракрасным светом, а еще более длинные — радиоволнами. Самые короткие радиоволны также называются микроволнами. Микроволны, которые могут иметь длину волны от одного миллиметра до одного метра, мы рассмотрим позже. Есть также электромагнитные волны, которые короче видимого света. Сначала идут ультрафиолетовые волны, а затем следуют рентгеновские лучи, а самые короткие электромагнитные волны называются гамма-лучами. Гамма-излучение очень пригодится, когда мы позднее будем искать частицу темной материи. Весь электромагнитный спектр, от длинных радиоволн до коротковолнового гамма-излучения, играет важную роль в астрономии. Потому что, хоть нашим глазам доступен только видимый свет, мы можем создавать приборы, которые различают все остальные длины волн.
Так зачем же
2.4. Цвикки и быстрые галактики
Как показывает пример с Пулей, в скоплениях галактик, судя по всему, обитает темная материя. Скопление галактик — это как раз то самое место преступления, где были обнаружены одни из самых первых улик того, что мы считаем темной материей.
В 1933 году в не особо читаемом швейцарском журнале Helvetica Physica Acta появилась статья, автором которой был не особо известный швейцарский физик и астроном Фриц Цвикки. Но в статье скрывалось революционное открытие — темная материя.
Чтобы одним из первых заявить о том, что Вселенная состоит из огромного количества невидимого вещества, мало обладать воображением и либеральными взглядами на природу и физику — нужна еще и невероятная уверенность в собственных доводах. Ну и не станем забывать о самоуверенности, избавляющей от страха допустить ошибку. И, что немаловажно, понадобятся солидные научные знания для обоснования гипотезы. Все это у Фрица Цвикки имелось.
Фриц Цвикки
Норвежцы привыкли, что оригинальные мыслители — например, Арне Несс и Питер Бессель Цапффе — нередко увлекаются скалолазаньем и поэтому не удивляются, когда великие рассуждения и горные виды спорта идут рука об руку. Поэтому они считают совершенно естественным, что Цвикки совмещал научную деятельность с альпинизмом. Цапффе описывает альпинизм как «…спорт для индивидуальностей, для оригиналов и аутсайдеров», а Цвикки однозначно можно отнести к оригиналам — и как ученого, и как человека. А раз уж мы затронули «норвежские» качества ученого, вспомним, что его отец, Фридолин Цвикки, служил норвежским консулом в болгарском городе Варна в первые годы жизни сына.
Однако же Фриц Цвикки считал себя швейцарцем и никогда даже не ступал на норвежскую землю. Американскую землю Цвикки, напротив, исходил вдоль и поперек, поскольку большую часть жизни проработал профессором Калифорнийского технологического института (известном также как Калтех).
Для научной работы Цвикки характерны впечатляющая широта, креативность и дальновидность. Мы уже упоминали о его «открытии» темной материи — к нему мы вскоре вернемся. Но Цвикки не только обнаружил темную материю. Он, например, первым предположил, что скопления галактик могут выступать в роли гравитационных линз. Эту идею Цвикки впервые высказал в 1937 году, и, хотя до открытия скопления — гравитационной линзы пройдет еще 40 лет, важность такого подхода для современной астрономии очевидна и по сей день.
Другой пример — предсказание Цвикки существования нейтронных звезд. Нейтронные звезды — это класс чрезвычайно компактных звезд, которые остаются после смерти обычных массивных звезд. Нейтронная звезда настолько сильно сжата, что небольшая бутылка из-под газировки с нейтронным веществом будет весить столько же, сколько вся вода в Мьёсе — глубочайшем озере Норвегии. Чтобы предсказать существование нейтронных звезд, настолько необычного класса объектов, что они отправляют весь здравый смысл в нокаут, необходим необычный и непредвзятый подход к исследованиям. Именно он и стал визитной карточкой Цвикки. Сегодня о существовании нейтронных звезд мы знаем, по крайней мере, благодаря излучаемым ими радиоволнам, так что и в этом Цвикки оказался прав.
Несмотря на консульский опыт своего отца, Фриц Цвикки вряд ли стал бы хорошим дипломатом: обходительностью он не отличался, зато честным был до жестокости и даже прославился колкими и нелестными характеристиками своих коллег. Самый известный пример — это прозвище «сферические ублюдки», которым Цвикки окрестил коллег-астрономов, а объяснял он свою логику так: «…на них с какой стороны ни посмотри — они ублюдки». Цвикки нечасто получал от коллег рождественские открытки, и этот факт, видимо, помешал ему прославиться еще сильнее, хотя вклад в науку он внес неоценимый.
Революционное открытие темной материи Цвикки вылилось из скрупулезного наблюдения за скоплением Кома в созвездии Волосы Вероники — одним из ближайших к нам крупных скоплений галактик. Оно состоит из пары тысяч галактик и растягивается примерно на пятнадцать миллионов световых лет.
Центральная часть скопления Кома. Картинка создана благодаря космическому телескопу «Спитцер» и «Слоуневскому цифровому небесному обзору».
Звучит внушительно. Но если мы попытаемся представить эти пятнадцать миллионов световых лет в перспективе, то в космических масштабах получится не очень много. Не больше размера 150 расположенных рядом Млечных Путей. А внутри этой области несколько тысяч галактик. Получается, что располагаются они довольно тесно, а значит, зависят от гравитационных сил друг друга. Это взаимное влияние и удерживает галактики вместе. Цвикки изучал, каким образом гравитационные силы в скоплениях влияют на движение самих галактик.
Я уже сравнивал скопление галактик с роем комаров. И в скоплении Кома галактики хаотично летают во всевозможных направлениях, совсем как комары. Отдельная галактика вполне может отдаляться от центра скопления с огромной скоростью, но гравитационные силы других галактик все равно окажутся сильнее, так что в конце концов она развернется и двинется внутрь. Поэтому скопление и не распадается.
Похожее явление наблюдается, когда подбрасываешь вверх камень. Теоретически камень можно подбросить с такой силой, что он улетит в космос и рано или поздно покинет Солнечную систему. На практике же это невозможно, ведь сила притяжения Земли не позволит ему настолько отдалиться. Но, допустим, что мы перенесем камень на меньшее небесное тело, например, на комету со странным названием 67Р/Чурюмова — Герасименко, которую в 2014 году исследовал космический аппарат «Розетта». Масса этой кометы в разы меньше, чем у Земли, поэтому и сила притяжения слабее. Подбрось мы камень там — и скорости в 2 км/час вполне хватило бы, чтобы он навсегда покинул комету.
Таким образом, скорость, с которой камень способен двигаться, не улетая, зависит от массы тела, откуда этот самый камень брошен. Чем массивнее тело, тем быстрее камень двигается, не рискуя исчезнуть. То же самое происходит с галактиками, движущимися в скоплении. Там за гравитацию уже отвечает не Земля или комета, а суммарная масса всех остальных галактик. Если мы измерим, насколько быстро галактики движутся, при этом не разлетаясь, то сможем узнать массу всего скопления.
Но можно добиться и большего. Вернемся к камню, который мы подбрасывали вверх. Не нужно быть гением в этом нехитром деле, чтобы заметить взаимосвязь между скоростью броска и высотой. Если начальная скорость камня — 30 км/час, то он поднимется в воздух на три с половиной метра и лишь затем начнет падать. Но и высота, на которую взлетит камень, зависит опять же от мощности гравитации. Если бросить камень с той же скоростью, стоя на поверхности Луны, он сможет подняться более чем на 20 метров. Если однажды утром вы вдруг проснетесь на неизвестном небесном теле, то подбросьте камень вверх со скоростью 30 км/час и измерьте расстояние до верхней точки. Измерение можно использовать при определении силы гравитации, а эти данные, в свою очередь, пригодятся для вычисления массы небесного тела.
Метод, которым пользовался Цвикки для определения массы скопления Кома, не сильно отличается. Понятное дело, в похожем на комариный рой скоплении галактик вряд ли найдется место, откуда удастся измерить высоту при помощи камня, но вместо этого Цвикки измерил радиус скопления галактик. Сравнивая скорости галактик (вместо скорости камня) с радиусом скопления галактик (вместо высоты), он рассчитал массу скопления. Этот расчет основывался исключительно на данных о силе гравитации скопления, независимо от его свечения. Кроме того, Цвикки измерил доходящий до нас от скопления Кома свет и использовал это для определения количества видимой светящейся в нем материи. Затем он сравнивал две вычисленных массы, основанные на гравитации и на светимости звезд. Результат превзошел все ожидания.
Согласно полученным Цвикки данным, количество материи, влияющей на гравитационные силы, в несколько сотен раз превышает количество светящейся массы. Ученый пришел к выводу, что скопление содержит большое количество субстанции, которую он по-немецки назвал dunkle Materie (Темная материя). Из расчетов Цвикки следует, что темная материя составляет более 99 процентов скопления, а обычная видимая материя — меньше одного процента.
Сегодня, более 80 лет спустя, Цвикки по-прежнему прав: в скоплении Кома содержится очень много темной энергии. Однако мнение о ее количестве существенно изменилось: если Цвикки считал, что темная материя составляет более 99 процентов, то сегодня мы, скорее, склоняемся к 90 процентам. В связи с расширением наших знаний о Вселенной, выяснилось, что и видимого вещества там вдвое больше. Таким образом, заключение Цвикки было качественно правильным, но количественно далеким от истины. В чем же ошибся Цвикки?
Никакой грубой ошибки ни в вычислениях, ни в методе ученый не допустил. Но для преобразования полученных величин в физическую массу Кома необходимо знать расстояние от нас до скопления. Проблема заключается в том, что в 1930-х годах расстояние до скопления Кома считалось относительно небольшим. Вот представьте, что вы в горах и видите свет от костра в километре от вас. Из-за расстояния свечение будет неярким, хотя костер, возможно, порядочный. Но если вы ошибочно решите, будто костер всего в ста метрах, то он покажется вам маленьким из-за блеклого света. Примерно то же самое произошло и с Цвикки. Он думал, что смотрит на относительно близкие галактики, и поэтому предположил, что свет тусклый, а значит, излучающего свет вещества в галактиках мало. На самом же деле, причиной тусклого света было намного большее расстояние, нежели думал Цвикки.
Хоть Цвикки и знатно промахнулся с количеством темной материи в скоплении галактик Кома, проделанной им работой трудно не восхититься. Ведь ошибка заключалась в расчетах, а не в самом открытии. Он первым начал использовать новые астрономические методы, что и помогло прийти к этому заключению. К тому же такой невероятный результат не заставил его сомневаться в верности своих расчетов. Большинство людей на его месте подумали бы: «Вот черт, должно быть, где-то я ошибся», а потом начали бы подгонять методы и гипотезы под то, что изначально ожидали найти.
Выводы Цвикки впечатляют еще больше, если брать в расчет годы их публикации. В начале 1930-х, когда он начал изучать движение галактик, мы только-только приблизились к пониманию того, что вообще они из себя представляют. Всего десятью годами ранее астрономы спорили о том, всё ли из видимого на небе — часть Млечного Пути или же спиралевидные туманности, которые можно разглядеть при помощи телескопов, — крупные самостоятельные галактики далеко за пределами нашей.
Казалось бы, об обнаружении огромного количества темной материи должны на каждом шагу трубить все таблоиды. Но заголовок статьи Цвикки вовсе не вопил: «СЕНСАЦИЯ! БЕЗУМНЫЕ КОЛИЧЕСТВА МИСТИЧЕСКОГО НЕВИДИМОГО ВЕЩЕСТВА В СКОПЛЕНИИ КОМА». Вместо этого статья называлась так: «Красное смещение внегалактических туманностей». Результаты были описаны крайне сдержанно, и причин тому достаточно. Во-первых, в то время пиар в средствах массовой информации и распространение сомнительных результатов не влияли на финансирование дальнейших исследований. Во-вторых, Цвикки и сам осознавал неточность результатов и старательно работал над отсеиванием некоторых спорных моментов. Ко всему прочему, он размышлял о природе темной материи. Ученый ни слова не сказал о том, что это, должно быть, новый таинственный невидимый вид частиц. Цвикки просто различал светящуюся и темную материю. И не факт, что понятие темной материи в его интерпретации совпадает с сегодняшними представлениями. Тем не менее сейчас мы совершенно уверены, что Цвикки обнаружил именно темную материю в ее современном понимании.
Раз уж мы начали этот разговор, из истории Цвикки и скопления Кома можно выжать еще кое-что поучительное. Например, что серьезные научные выводы следует публиковать с предельной осторожностью, в особенности когда дело касается астрономии. В абсолютно любом исследовании выводы будут опираться на предположения. В случае Цвикки ученый предполагал, будто знает правильное расстояние до скопления галактик. Но это предположение было не единственным. Например, еще он предположил — сознательно или неосознанно, — что закон гравитации на больших расстояниях в скоплениях галактик действует точно так же, как в Солнечной системе, и что его методы измерения скорости верны.
Когда во время детального исследования ученые приходят к невероятным заключениям, например констатируют наличие огромного количества невидимого вещества во Вселенной, на это бывает несколько причин. Неверным может быть само предположение. А еще не исключено, что ошибка закралась в наблюдения. Или даже в вычисления? И тем не менее никогда не стоит отвергать последнюю и самую захватывающую возможность: невероятное заключение верно. Однако, чтобы это заключение подтвердилось, необходимо досконально изучить все остальные варианты.
Цвикки — далеко не первый астроном, столкнувшийся с трудностями при измерении космических расстояний. Проблема измерения расстояний в космосе досаждает астрономам уже тысячи лет. По сей день многие из наших умозаключений о космосе основываются на четком контроле измерения расстояний. Так каким же образом следует измерять космические расстояния?
2.5. Измерение расстояний в космосе
Что бы там ни говорили Led Zeppelin, лестницу в небо купить невозможно. Однако, начиная со времен Древней Греции, астрономы медленно мастерили так называемую космическую лестницу или «шкалу расстояний в астрономии».
Почему я называю ее лестницей? Потому что различные методы измерения расстояний опираются друг на друга. При измерении расстояния до далекой галактики нам для начала нужно правильно измерить расстояние до звезд в Млечном Пути, а для этого надо, в свою очередь, измерить расстояние до Солнца. До того, как появились радары, необходимо было знать размер Земли, чтобы рассчитать расстояние до Солнца.
Первые ступени космической лестницы начали закладывать еще древние греки Эратосфен (276–194 до н. э.) и Аристарх (310–230 до н. э.) более двух тысяч лет назад. Измерив тени в разных местах Земли и углы между Солнцем и Луной, им удалось рассчитать как размер Земли, так и расстояние от Земли до Солнца. Из-за неточных измерений результаты тоже были не особо правильными, однако греки показали, каким образом при помощи геометрии измерять расстояния за пределами земной поверхности.
После определения расстояния до Солнца следующим шагом стало расстояние до других звезд, а это задача не из легких. Измерения должны быть невероятно точными, а такое уже было не под силу Аристарху и компании. И хотя с измерениями расстояний все непросто, принцип определения расстояний до звезд не так уж и сложен. Он называется методом параллакса и хорошо знаком всем, кто не жалуется на зрение.
Используя одновременно два глаза, мы видим трехмерную картинку и можем оценивать расстояния: например, дотянемся ли мы до висящего перед нами яблока. Происходит вот что: оба глаза смотрят на яблоко под немного разными углами. Если вы сфокусируете взгляд на плодоножке яблока, а оно висит прямо перед вашим носом, то оба глаза скосят к нему. Отодвинете яблоко подальше — глаза снова разойдутся. Получается, что образуемые глазами утлы зависят от отдаленности яблока, а наш мозг использует их для вычисления расстояния. Если яблоко слишком далеко, то рассчитать расстояние будет проблематично. Разница в угле между двумя глазами, когда вы фокусируетесь на яблоке в 100 или 110 метрах от вас, ничтожна. Поэтому нашим глазам удобнее всего использовать метод параллакса, когда объект находится на расстоянии вытянутой руки, а если он уже метрах в 25, то метод становится неприменимым.
К тому же наше бинокулярное зрение небезгранично, и пытаться «разглядеть» расстояние до ближайших звезд — гиблое дело. Дело в том, что глаза у нас расположены очень близко друг к другу. Было бы это расстояние побольше, например метр, мы способны были бы разглядеть объекты, находящиеся намного дальше от нас. А если увеличить расстояние между глазами до нескольких сотен тысяч километров, то наших глаз хватило бы, чтобы рассмотреть планеты Солнечной системы. Но мечтать о настолько широко расставленных глазах не стоит — это непрактично и неэстетично. К тому же раз люди неспособны видеть на такие расстояния, то можно создать искусственные «глаза», которым это будет под силу.
В роли искусственных глаз могут выступить телескопы. Чтобы измерить расстояние до самых далеких объектов, два телескопа тоже нужно поместить как можно дальше друг от друга. Но даже если поставить один телескоп на севере Норвегии, а другой — на Канарских островах, то этого все равно будет недостаточно для измерения расстояния даже до ближайших звезд. Относительно Галактики Земля уж слишком мала. И как же тогда увеличить расстояние между этими «глазами»? Использовать движение Земли! Одно измерение видимого положения звезды можно сделать, когда Земля находится с одной стороны от Солнца, например в середине зимы, а второе — с противоположной стороны в середине лета. Так расстояние между нашими «глазами» увеличивается до 300 миллионов километров, что в 60 000 раз больше расстояния между Северной Норвегией и Канарскими островами.
Схема параллакса. Когда Земля движется вокруг Солнца, положение ближней звезды будет меняться относительно далеких звезд на заднем плане. Это можно использовать для расчета расстояния до ближайшей звезды.
Это и есть метод параллакса. В XIX веке благодаря этому методу люди впервые получили доступ к достаточно точным измерительным инструментам, позволяющим высчитывать расстояние до звезд. В наши дни стало возможным измерять параллаксы для более чем 10 000 звезд, используя точные измерения положения со спутника.
(На момент публикации этой книги на русском языке — примерно до 1 миллиарда звезд. Редактор.)
Несмотря на широкое расположение глаз и постоянно совершенствующиеся измерительные приборы, с помощью параллакса можно измерять расстояния только в пределах нескольких тысяч световых лет. Это соответствует лишь нескольким процентам протяженности Млечного Пути. А ведь нам хочется измерять расстояние до галактик далеко за пределами Млечного Пути.
Для Цвикки это было не менее важно. Его интересовало, сколько света излучают изучаемые им галактики. Тогда, помимо измерения количества принимаемого света, нужно знать, на каком расстоянии от нас эти галактики находятся. Кроме того, Цвикки понадобилось бы расстояние для определения размеров скопления Кома, без этого показателя невозможно ничего сказать о гравитационных силах в скоплении.
Поделиться книгой: