Страница 20 из 33
От чего зависит эллиптичность галактик? Изначально предполагалось, что это связано с вращением: чем выше его скорость, тем более плоскую модель мы получаем. Сегодня мы знаем, что приплюснутость связана не с вращением, а с анизотропическим распределением скоростей звезд внутри галактики.
В основной последовательности классификации звезд имеется единый параметр, объясняющий их положение, — масса звезды (а не время, как ученые думали изначально). Возможно, для галактик такого параметра не существует. Эллиптические галактики могут впоследствии создать диск, спиральные — могут утратить диск, сметенный горячим межгалактическим газом, слияние двух спиральных галактик может стать причиной появления эллиптической галактики. Существуют и другие эффекты, и все это позволяет говорить о том, что классификация галактик связана с определенными сложностями.
ГЛАВА 3
Закон Хаббла
Для света, испускаемого галактикой, характерно красное смещение. Связано ли это с эффектом Доплера и скоростью удаления? Хаббл был скрупулезен и объективен, так что говорил только о кажущейся скорости. Его знаменитый закон — это отношение между красным смещением и расстоянием. Кто же сформулировал его первым?
За 13 лет до Хаббла свои предположения делал де Ситтер, а первым получил это отношение Леметр, используя данные опубликованных наблюдений.
Но даже если Хаббл и Хьюмансон не были первыми, они подтвердили теорию огромным количеством данных.
Когда в 1928 году Хаббл вернулся из очередной поездки по Европе, Хьюмансон встретил его, будучи в большом возбуждении. Дело было в том, что он услышал комментарии некоторых астрономов, касавшиеся расстояний до галактик (они были опубликованы и самим Хабблом) и разных скоростей их удаления. Об отношении расстояния и скорости говорили многие, но Хьюмансон услышал мнение, что чем слабее туманности, тем больше расстояние до них и больше красное смещение. Если скорость и расстояние действительно связаны, именно майор Хаббл должен был подтвердить это соотношение и точно сформулировать его. У Хаббла и Хьюмансона было все, чтобы проверить догадку. Хьюмансон умолял Хаббла: «Прикажите мне, и я все проверю».
Оба погрузились в работу. Хьюмансон начал находить все новые и новые туманности, очень слабые и далекие, он получал пластинки спектров. Ученые должны были приступить к анализу линий Н и К кальция, а Хаббла ждал поиск новых методов определения расстояния, так как в отдаленных туманностях не было никакой возможности обнаружить цефеиды.
Новый метод Хаббла был связан с более яркими галактиками в их скоплениях. Ученому не понадобилось много времени, чтобы понять: большинство галактик объединены в скопления. Было логично предположить, что галактики одного скопления находятся на одном расстоянии. В скопления входят более и менее яркие галактики, поэтому поток отдельной галактики был недостаточно показателен для определения расстояния. Статистическое значение имело только отношение потока и расстояния. Однако при выборе наиболее ярких галактик из скопления, по уверениям Хаббла, показатель расстояния был значительно лучше. Хотя метод не был таким же точным, как метод цефеид, все же его можно было использовать: ничего лучшего на тот момент все равно не существовало.
Слайфер получил скорости множества спиральных галактик, но для того чтобы сформулировать положение, известное нам сегодня как закон Хаббла, нужно было измерить скорость большего количества галактик, и самым важным было измерение скорости удаленных галактик, недоступных для наблюдения в слабый телескоп — именно такой был у Слайфера. Для дальнейшей работы нужен был 100-дюймовый телескоп Маунт-Вилсона. Астроном-ассистент Мильтон Хьюмансон, которого называли просто Мильт, отыскивал в небе очень слабые галактики и получал их красное смещение. На основании этих данных майор Хаббл вычислял скорость, при этом Мильт удивлялся быстроте его расчетов. На самом деле Хабблу требовалось всего лишь умножить красное смещение на скорость света. Хьюмансон получал все более и более высокие скорости. Сначала он нашел галактику с кажущейся скоростью 3000 км/с, что было значительно больше максимальной скорости, вычисленной Слайфером. Но эта цифра оказалась несущественной, так как в один прекрасный для астрономии день в результате измерений Мильт получил скорость 20000 км/с. Исследователи начали получать скорости, составляющие десятую часть недостижимой скорости света. Когда скорость достигнет скорости света, будет ли это означать, что ученые добрались до края Вселенной? Мильт и майор Хаббл чувствовали, что чудесное открытие все ближе.
Американский астроном Мильтон Хьюмансон, роль которого в наблюдательной астрономии сильно недооценена.
Поток от дальних галактик был в 100 раз меньше, чем от галактик в скоплении Девы, значит их удаленность была в 10 раз больше, так как еще со времен Кеплера известно, что поток убывает по закону обратного квадрата расстояния.
Оригинальный графин из работы Хаббла, выражающий его закон.
На оси абсцисс указано расстояние до каждой галактики в парсеках (1 парсек = 3,258 светового года), на оси ординат — их кажущаяся скорость в километрах в секунду.
Объединяя скорости Слайфера со скоростями, полученными Хьюмансоном, можно было оценить отношение скорости и расстояния для дистанций, недоступных телескопу. Если расположить по оси ординат расстояния, а по оси абсцисс — скорости, получалась прямая линия со штрихами, показывающими на возможность ошибки, которая становилась тем вероятнее, чем дальше располагались туманности (см. график).
Это означало, что расстояние и скорость прямо пропорциональны. Коэффициент пропорциональности Хаббла обозначили через К, но скоро стали писать H0 — от первой буквы в фамилии ученого — по предложению Ричарда Толмана, друга Хаббла из Калтеха. Индекс 0 в космологии означает настоящий момент. Закон Хаббла был открыт, вернее подтвержден и уточнен:
v = H0r,
где r — расстояние, a v — скорость. Расстояние измерялось в Мпк (мегапарсек; 1 парсек соответствует 3,258 светового года). Скорость измерялась в км/с. Единицей для Я был, соответственно, км/(сМпк). Величина, полученная Хабблом и Хьюмансоном, составила H0= 558 км/(сМпк). Это значение было слишком большим, сегодня используется величина 71 км/ (сМпк). Скоро мы поговорим о причинах этой ошибки.
Статья «Отношение скорости и расстояния во внегалактических туманностях», написанная Хабблом и Хьюмансоном, была опубликована в AstrophysicalJournal в 1931 году.
Напоминаем, что мы используем слово «туманность» вместо «галактика», потому что этот термин употреблял Хаббл.
Ученый не считал, что эти скорости реальны. На самом деле измерялось красное смещение спектральных линий. Отражает красное смещение реальную скорость, которую можно рассчитать с помощью формулы, или нет — исследователи не знали, это была всего лишь догадка. Поэтому, хотя Хаббл использовал букву v и измерял ее в км/с, он всегда отмечал, что речь идет о кажущейся скорости. Как объективный наблюдатель он не отрицал того, что красное смещение z может зависеть от других неизвестных факторов, отличных от доплеровского. Хаббл знал, что другие теоретики считали так же.
А если это не эффект Доплера? В этом вопросе таится не только желание объективно использовать термин. Хаббл знал, что болгарский астроном Фриц Цвикки (1898-1974) предположил, что красное смещение связано с ослаблением энергии фотонов на пути от галактики к нам. Эта гипотеза называлась гипотезой утомленного света. Сделать вывод об «утомленности света» можно было при наличии неких материальных частиц, которые при взаимодействии с фотонами постепенно забирают у них энергию, и при этом, согласно формуле Планка Е = hv, фотон теряет частоту, то есть происходит покраснение.