Страница 50 из 131
Теперь стал виден ясный путь к пониманию состава небесных тел. Значимость работы Кирхгофа и Бунзена, частично подытоженной в книге "Химический анализ посредством наблюдений спектров" (1860), сравнима только с галилеевскими наблюдениями неоднородностей Луны и Солнца. Спектры открыли дверь и в атомно-молекулярный мир. В течение следующего полувека из их исследований выросла атомная физика. И именно анализ спектров привел в 20 столетии к появлению модели расширяющейся Вселенной. Но эти достижения еще впереди, а тогда стало ясно, что перед астрономией и физикой лежит необъятное море новой работы. Необходимо было получить и проанализировать спектральные портреты тысяч и тысяч звезд.
Так рождалась современная астрофизика.
Спектры сыграли выдающуюся роль и в определении геометрических параметров Вселенной в самых больших масштабах. Определение расстояний до звезд и их скоростей, несмотря на всевозрастающую мощность телескопов, оставалось довольно серьезной проблемой. Старые геометрические методы, блестяще оправдавшие себя при измерениях Солнечной системы, оказались беспомощными при обращении к очень далеким объектам. Даже самыми современными средствами невозможно обнаружить параллакс звезды, удаленной более чем на 100 световых лет, а, следовательно, нет прямого геометрического способа измерить расстояние и скорость.
Выход был найден в связи с работами австрийского физика и астронома Кристиана Допплера (1803-1853). В 1842 году он установил, что частота волнового процесса должна зависеть от скорости и направления движения источника. В соответствии с идеей Допплера, относительный сдвиг частоты приблизительно определяется отношением скорости источника к скорости распространения сигнала (звука или света): ??/?0 = +- v/c, где ?0 - частота для покоящегося источника, а знак выбирается в зависимости от направления движения источника. По правилу: + к нам, - от нас, т. е. частота убегающего источника уменьшается (красное смещение), а приближающегося - увеличивается (фиолетовое смещение).
Этот эффект, довольно легко наблюдаемый в акустике, трудно уловить в оптике, если скорость источника существенно меньше скорости света. Но именно так обстоит дело со звездами.
Лишь в 1868 году оптический допплер-эффект был обнаружен английским астрономом Уильямом Хэггинсом (1824 - 1910), изучавшим спектр Сириуса в своей частной обсерватории. Спектральные линии стали для Хэггинса своеобразными метками - именно их небольшое смещение позволило оценить скорость Сириуса*. Впоследствии для самых далеких объектов удалось связать между собой задачи определения скоростей и расстояний до них, и допплер-эффект стал надежным космологическим методом.
*Хэггинсу принадлежит заслуга в первичной спектральной классификации туманностей. Некоторые из них давали очень скудный спектр, т. е. были чисто газовыми образованиями. Туманность Андромеды имела спектр, в общем-то, близкий к звездному, и Хэггинс понял, что имеет дело с гигантским скоплением звезд.
Стоит добавить, что пионерские работы по астроспектроскопии (Кирхгоф, Бунзен, Хэггинс и другие) проводились без применения фотографии. Дело такого рода в смысле объема и качества полученного материала - истинный подвиг.
В истории внедрения спектрального анализа в астрономические исследования ясно чувствуется глубочайшая взаимосвязь в развитии различных областей познания. В сущности, излагая эволюцию астрофизических концепций, следовало бы параллельно давать картину развития наших представлений о веществе вдоль тех же исторических и философских вех... Скажем, возрождение атомизма связано с философией французского математика и теолога Пьера Гассенди (1592 - 1655), отделившего пространство и время от Бога и указавшего на внутренне присущие атомам свойства взаимодействия. Его концепции оказали огромное влияние на Ньютона и многих других английских физиков и философов. Это видно и в идее планет как центров тяготения, и в идее корпускул света. Наконец, это предопределило ньютоновскую модель абсолютного пространства-вместилища, а впоследствии и необходимость преодоления этой модели.
На протяжении нескольких столетий на небо обрушились все лучшие достижения физики, полученные в земных лабораториях. Этот процесс привел к совершенно новому взгляду на Вселенную, подготовил почву для резкого взлета в ее постижении, произошедшего уже в нашем веке. Этот прогресс воистину поразителен, если сопоставить видение Космоса как главным образом духовной категории, скажем, в "Божественной комедии" у Данте с сугубо материалистическим его восприятием на рубеже 19- 20 веков, когда едва ли не все принципиальные проблемы представлялись решенными или, во всяком случае, не слишком сложными.
ОТКРЫТИЕ ЗВЕЗД
В период становления научной астрономии звездам не очень повезло. С 15 и до середины 19 столетия главное внимание уделялось планетам Солнечной системы. В мире звезд велась в основном предварительная регистрационная работа.
Росла мощность телескопов, и вместе с этим лавинообразно нарастало количество вновь открываемых звезд. Это и неудивительно - невооруженным глазом можно видеть звезды до 6-й величины включительно, а их на всем небе около 4800. Зато в интервале до 10-звездной величины их уже 350 тысяч, а до 20-й величины - миллиард. Так что астрономия столкнулась со своеобразным информационным взрывом.
Однако коллекция в миллион бабочек еще не творит биологии.
Звезд было много, но об их природе к середине 19-го века высказывались лишь очень смутные догадки. Астрономы не слишком ясно представляли себе даже расстояния, на которых расположены эти звезды... Разумеется, после работы Галлея никто не считал, что они принадлежат какой-то неподвижной хрустальной сфере, но и сколь-нибудь ясной картины, напоминающей великолепное полотно Солнечной системы образца Ньютона - Лапласа, не существовало.
Все сдвинулось с места, когда исследователи научились уверенно выделять какие-то особые типы звезд, и по этим особенностям, как по ступенькам, карабкаться к пониманию основных звездных характеристик расстояний, размеров, масс, светимостей, цвета, возраста, строения.
Исходный прорыв наметился как раз в связи с древней проблемой расстояний. Если в античные времена (и вплоть до Коперника) считалось более или менее очевидным, что звезды всех 6 величин находятся на одинаковом расстоянии от Земли, то последовавший разгром хрустальной сферы привел к противоположному крену - долгое время общественное мнение склонялось к тому, что истинная яркость звезд того же порядка, что и у Солнца, а наблюдаемая яркость целиком зависит от их удаленности. Эта вполне научная гипотеза приводила, в конечном счете, ко многим ошибочным выводам - ведь светимость большинства ярких звезд на самом деле значительно превышает светимость Солнца. Поэтому лишь решение проблемы расстояний открывало дорогу к физической классификации звезд.
Необходимы были прямые и очень точные измерения звездных параллаксов. Они стали активно проводиться уже на рубеже 18-19 веков, но долгое время из-за больших ошибок параллаксы сильно завышались, и расстояния до звезд оказывались неправдоподобно малыми.
Достаточно точные результаты появились почти одновременно и совершенно независимо при изучении трех ярких звезд.
Первый результат, по-видимому, получил директор Дерптской обсерватории Василий Яковлевич Струве* (1793-1864), определивший параллакс Веги (? Лиры) в 1837 году. Это была прецизионная работа - параллакс оказался немногим больше десятой доли угловой секунды (современное значение 0,123").
*В. Я. Струве, впоследствии организатор и с 1840 г. директор Пулковской обсерватории, академик Петербургской АН, стал родоначальником блестящей "звездной династии". Его сын Отто Васильевич (1819 -1905), сменивший отца на посту в Пулково в 1862 г., и внук Людвиг Оттович (1858 -1920), директор Харьковской обсерватории, внесли огромный вклад в изучение двойных звезд и во многие другие области астрономии. Правнук Отто Людвигович (1897 -1963) стал одним из создателей современной радиоастрономии. Он возглавлял знаменитую американскую обсерваторию Грин-Бэнк, был президентом Международного астрономического союза. Именно Отто Струве сформулировал концепцию звездной эволюции.