ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

 

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

Астрономы наблюдают

03Таинственное звездное небо издавна привлекает внимание людей. Нам кажется, что все небесные тела расположены как бы на поверхности огромной сферы, в центре которой находится Земля, и в какой бы точке земной поверхности мы ни оказались, все они расположены одинаково далеко от нас. Если мы внимательно будем смотреть на небо в течение нескольких ночей, то заметим, что в расположении звезд наблюдается определенный порядок и закономерность и этот порядок сохраняется в течение всего времени наших наблюдений.

 

 

i 017

i 018

Ян Гевелий (1611–1687) — польский астроном, механик, оптик, художник — и его жена Эльжбета — первая женщина-астроном нового времени — наблюдают звездное небо.

Астрономия древности

Наверное, через какое-то время нам захотелось бы отождествить определенные группы звезд на небе с очертаниями знакомых фигур — треугольники, квадраты, буквы. Наши предки давным-давно проделали эту операцию, объединив группы наиболее ярких звезд в созвездия.

Некоторым созвездиям давали названия предметов, которые напоминали человеку очертания фигур, образованных яркими точками на небе (Северная Корона, Треугольник, Стрела, Весы и т. д.).

Значительное число созвездий было названо именами сказочных героев греческих легенд. Например, название шести близких друг другу созвездий — Цефей, Кассиопея, Андромеда, Персей, Пегас, Кит — иллюстрируют известную легенду о Персее и Андромеде. Другие созвездия получили названия животных — Большая Медведица, Лев, Дракон, Малый Пес, Заяц и т. д.

Название по крайней мере одного созвездия связано с исторической реальностью. Жена египетского царя Птолемея III славилась своими удивительно красивыми волосами. Во время военного похода своего мужа в Сирию она была очень обеспокоена и поклялась, что, если Птолемей III вернется живым и невредимым, срежет волосы и поместит их в храме. После удачного окончания похода царица сдержала клятву, но… вызвала тем самым гнев мужа: короткая стрижка царицы с точки зрения моды была несколько преждевременна.

К счастью, ей на помощь пришел придворный астроном Конон Самосский. Он сказал царю, что волосы Вероники уже на небе, чтобы каждый человек мог созерцать их красоту. Царь потребовал доказательств, и находчивый астроном указал ему на группу слабых звезд, которая действительно несколько напоминала волосы. Царь успокоился, а в небе с тех пор рядом с созвездием Гончих Псов появилось созвездие Волосы Вероники.

Сегодня ночное небо разделено на 88 отдельных созвездий.


i 019

Созвездия Персея. Возничего. Рыси. Фрагмент «Звездного атласа» Яна Гевелия.

Не только созвездия, но и отдельные звезды (как правило, наиболее яркие) имеют свои названия: Сириус, Вега, Бетельгейзе и др.

Многие тысячелетия истории человечества тесно связаны с наблюдениями небесных светил. Астрономию можно смело считать самой древней наукой, которая возникла отнюдь не на основе абстрактного стремления к познанию. Такие чисто астрономические процессы, как смена дня и ночи, смена времен года, определяли распорядок жизни первобытных племен на самых ранних стадиях развития человечества как вида. Наверное, можно считать, что потребность ориентироваться во времени и пространстве возникла в самые отдаленные эпохи, одновременно с развитием охоты, рыболовства, смены территорий кочевыми племенами.

В дальнейшем без астрономических данных невозможно было бы развитие сельского хозяйства и мореплавания. Итак, движущей причиной астрономических наблюдений были материальные потребности общества. Подтверждением этой мысли является хорошо известный факт независимого возникновения древней астрономии в разных частях света и в разных странах. Здесь и астрономия в Вавилоне, Китае, астрономия древних майя и многих других народов.

Конечно, все это было лишь на самых ранних стадиях развития человечества. Кто скажет сегодня, что исследование красных смещений у квазаров необходимо для путешествия из Европы в Америку или для запуска спутника? Но в древние времена астрономия самым прямым образом влияла на жизнь общества. В частности, необходимость измерять промежутки времени привела к тому, что тщательным образом стал измеряться так называемый синодический период в 29,5 дня, через который повторяются фазы Луны. Луна стала элементом культа у многих древних народов, ей приносились жертвы, первое ее появление и особенно полнолуние отмечалось специальными церемониями. Лунный период стал таким образом самой древней календарной единицей.

Вообще нужно сказать, что развитие человеческой культуры и весь путь нашей цивилизации оказался бы совершенно иным, если бы земная атмосфера была непрозрачной и люди были бы лишены возможности видеть звездное небо. Но человечеству дано счастье общения со звездами, и это общение не только вдохновляло поэтов и философов, но и определило весь путь развития современной науки.

Кажется вполне естественным, что первой астрономической проблемой древней астрономии была проблема календаря. Она особенно остро проявилась с возникновением развитого земледелия. Чисто лунный счет, конечно же, не мог удовлетворить людей, поскольку, например, в более высоких широтах особенно важен годичный период Солнца, ярко проявляющийся в климатических изменениях. Приспособление лунного календаря к солнечному году произошло задолго до нашей эры.

В какой-то мере детальное исследование неба стимулировалось требованиями астрологии. Поэтому в древних текстах можно обнаружить астрономические наблюдения гораздо более подробные и детальные, чем это требовалось в целях составления точного календаря. Примерно две с половиной тысячи лет тому назад жрецы Ассирии умели предсказывать даты затмений, и это также отражено в текстах, хотя жрецы и не указывают, на чем основывались их предсказания.

В Древнем Вавилоне впервые вводится количественное, а не качественное описание положения звезд и планет на небе. Если раньше положение звезды характеризовалось ее местом в каком-либо созвездии, то еще за три столетия до нашей эры появились халдейские таблицы с понятиями долготы и широты. Более того, есть некоторые основания считать, что в Древнем Вавилоне впервые появился астрономический инструмент — астролябия, предназначенный как раз для определения широты и долготы. Во II веке до нашей эры астролябия применялась великим астрономом древности Гиппархом.

Также до нашей эры были созданы небесные глобусы с изображением на их поверхности неподвижных звезд. Известно, что Архимед соорудил уникальный глобус, на котором с помощью сложных механических приспособлений можно было воспроизводить движение звезд! Об этом глобусе упоминал Цицерон. Аналогичные астрономические инструменты были известны и в Китае, и у арабов, где астрономические исследования получили широкое развитие.


i 020

Бог Мардук и богиня тьмы Тиамат. Междуречье. VII век до нашей эры.

i 021

Бог Солнца древних майя. Копан, Гондурас. 750 год нашей эры.

Самый древний из известных нам небесный глобус, «глобус Фарнезе», сделанный из мрамора, хранится сейчас в Неаполе. Время его изготовления датируют III веком до нашей эры. В одной из частных коллекций в Англии сохранился глобус Улугбека — великого узбекского астронома. Сам глобус выполнен из бронзы, а в его поверхность вставлены серебряные звезды.

Автор геоцентрической системы мира Птолемей создал также новый астрономический инструмент — астролабон. С помощью этого инструмента можно было измерять долготу и широту звезд. Птолемей же вслед за Гиппархом создал каталог звезд, который насчитывал 1022 звезды (в каталоге Гиппарха их было 850).

К одним из самых ранних астрономических наблюдений можно отнести определение положения Солнца с помощью гномона, представляющего собой простой стержень, установленный вертикально на горизонтальной площадке. С помощью этого простого устройства можно было определять моменты равноденствий, солнцестояний, продолжительность года, широту места наблюдения.


i 022

Представления о мире: древних индийцев,

i 023

народов Междуречья,

i 024

древних египтян,

i 025

древних греков.

Используя тот факт, что высота Солнца над горизонтом изменяется и имеет максимум (летнее солнцестояние) и минимум (зимнее), можно определить продолжительность года как промежуток времени между двумя летними или зимними солнцестояниями. Судя по всему, именно таким способом в Древнем Египте впервые была определена продолжительность года (2700 год до нашей эры).

Одной из самых трудных астрономических задач древности было определение размеров небесных тел и расстояний до них. Античные мыслители внесли выдающийся вклад в эту проблему. Начиная от наивных представлений Анаксимандра, который предполагал, что Земля представляет собой цилиндр с отношением диаметра к высоте равным 3:1, и до времен Птолемея прошло почти пятьсот лет. Но за это время произошли существенные перемены в сознании ученых и философов о размерах окружающего мира. Так, если Платон оперирует расстояниями в сотни тысяч километров, то Архимед уже использует миллионы километров, а Птолемей «располагает» звезды в бесконечности.



Восход Солнца по представлениям древних египтян.

Определение, собственно, даже не определение, а вычисление расстояний до небесных тел было очень неточным. Так, Птолемей вычислил, что расстояние от Земли до Солнца составляет 1210 радиусов Земли.

Здесь пора сказать о том, как измеряются расстояния до небесных тел. Метод этот хорошо известен топографам и состоит в определении параллакса какого-либо небесного объекта. Что такое параллакс и как человеческий глаз — основной инструмент наблюдений в древности — определяет расстояния?


i 027

Водяные часы.

Встаньте перед стеной, поставьте свой палец перед лицом и сориентируйте его на какой-либо точке стены, закрыв один глаз. Вам будет казаться, что положение пальца относительно выбранной точки на стене будет изменяться. Какова величина этого изменения? Порядка 3°, если вы держите большой палец на расстоянии вытянутой руки, а сам большой палец будет виден в этом случае под углом в 1°.

Заметим, что угловая протяженность Солнца и Луны составляет примерно 1/2°. Видимое угловое смещение и называется параллаксом. Метод параллакса используется топографами, землемерами, астрономами. Так, чтобы измерить ширину реки, топографу совершенно не нужно ее переплывать. Он проведет это измерение следующим образом. На одном берегу точно определит расстояние между двумя точками. Затем, используя угломерный инструмент, померяет из этих двух точек углы между направлением на какой-либо предмет на противоположном берегу и линией, соединяющей точки. Зная сторону треугольника и два угла в основании, можно теперь без труда определить ширину реки.


i 028

Астролябия. Прибор для определения широты и долготы. 1468 год.

Примерно так же поступают и астрономы. Только здесь необходимо измерять углы и расстояния с очень большой точностью. В древние времена эти точности были невелики, не удавалось, например, определить достаточно аккуратно угловой размер Солнца.

Но вернемся к определению расстояний до планет. Измеряемая величина параллакса для планет бывает меньше одной секунды. Одна угловая секунда составляет 1/200000 радиана (в окружности — 2π радиан, соответственно 1 радиан = 57,3°). Таким образом, если два наблюдателя находятся на расстоянии 10 тысяч километров, они могут измерить расстояния, в 200 тысяч раз превышающие длину базы, что дает возможность определять расстояние до всех планет.


i 029

Наблюдение неба с примитивными инструментами. XIII век.

Понятно, что в древние времена еще не было синхронной работы обсерваторий на таких больших базах, и поэтому не могло быть достаточных точностей определения. Тем не менее Гиппарху, по-видимому, впервые удалось определить параллакс Луны, используя то обстоятельство, что солнечное затмение 129 года до нашей эры в Геллеспонте было полным, а в Александрии было закрыто 4/5 солнечного диска. Зная расстояние между этими пунктами, Гиппарх смог найти значение параллакса, а значит, и расстояние от Луны до Земли.


i 030

Стоунхендж — обсерватория бронзового века. 2000 год до нашей эры. Реконструкция.

Быть может, одной из самых древних известных истории обсерваторий являются знаменитые развалины Стоунхенджа в Англии. Этому сооружению около 4 тысяч лет, и, по-видимому, его арки являются огромными визирами, позволявшими с точностью более 1° отмечать восходы и заходы Солнца и Луны в дни солнцестояний и равноденствий. Нельзя исключить того, что еще более древние «обсерватории» были на территории Армении. А первая настоящая астрономическая обсерватория появилась в Европе лишь в XVI веке.

 

Тихо Браге и другие

 

Знатный датский дворянин Тихо Браге провел довольно бурную молодость. Он дрался на дуэли и в результате носил на переносице протез из золота и серебра, так как во время дуэли лишился носа — весьма заметной части человеческого лица. Астрономией Тихо заинтересовался в 14 лет, на первом курсе наблюдал затмение Солнца. В это время он учился в Копенгагенском университете.

Слава Тихо Браге как астронома связана, в частности, с его наблюдениями новой звезды, появившейся на небе в созвездии Кассиопеи в 1572 году. Заметим, что эта вспышка поколебала веру многих образованных людей того времени в учение Аристотеля, утверждавшего, что все неизменно в этом мире. Тихо Браге проводил тщательные измерения положения «новой» звезды на небе, изменения ее яркости и цвета и в 1573 году опубликовал книгу о своих наблюдениях, хотя поначалу сильно сомневался, совместимо ли это с его дворянским достоинством.

Король Дании Фредерик отдал в распоряжение Тихо Браге небольшой островок Хвен неподалеку от Копенгагена, где Браге и выстроил себе обсерваторию, оборудованную новыми измерительными инструментами для определения положения светил на небе и расстояний между ними. Браге сам изобретал эти инструменты, квадранты и секстанты, а искусный механик швед Й. Бюрги изготавливал их.

Здание обсерватории Тихо называл «Небесным замком», «Дворцом Урании», музы — покровительницы астрономии. Обсерватория представляла собой в плане точный квадрат, ориентированный по сторонам света. «Дворец Урании» был трехэтажным зданием. На первом этаже в трех комнатах жила многочисленная семья астронома, четвертая комната использовалась как гостиная, хотя в ней находился один из лучших инструментов Браге — большой стенной квадрант. На этом же этаже располагались кухня и музей. Там же Тихо Браге соорудил небольшую «насосную станцию», подававшую воду во все помещения обсерватории. Не каждый королевский дворец в то время мог похвастаться водопроводом. На втором этаже были отведены специальные комнаты для короля и королевы на случай их визита на остров. И самое главное — на втором этаже находились четыре обсерватории. В помещениях третьего этажа жили ученики и сотрудники великого астронома, а в подвале размещалась химическая лаборатория.

К 1584 году возникла необходимость сооружения еще одной обсерватории, и вскоре рядом с «Небесным замком» — Ураниеборгом вырос «Звездный замок» — Стьернеборг. Над входом в подземное помещение Стьернеборга было выбито латинское изречение: «Non fasces nec opes sola artis sceptra perennant» — «Ни власти, ни богатства, а только науки скипетр вечен».


i 031

Тихо прожил на острове в окружении учеников и помощников более 20 лет, с 1576 по 1597 год, выполнив огромный объем наблюдений. В них он достиг поразительной точности. Ведь совсем недавно, во времена Коперника, ошибки при наблюдениях составляли примерно 10′ (10 минут). Тихо улучшил эту величину более чем на порядок! Такая величина ошибки для дотелескопической астрономии приближалась к теоретическому пределу. Например, средняя ошибка при определении положения некоторых фундаментальных звезд была всего 32″,3.


i 032

Датский астроном Тихо Браге (1546–1601) проводит наблюдения в обсерватории.

Интересно, что великий астроном не признавал гелиоцентрической системы Коперника, считая его, однако, выдающимся астрономом. Правда, не настолько, чтобы поместить его портрет в ряду портретов величайших астрономов мира, висевших на стенах Стьернеборга, — Тимохариса, Гиппарха, Птолемея, Альбаттани и… самого Тихо.

К числу выдающихся достижений Тихо следует отнести его наблюдения за кометой 1585 года. Измеряя параллакс кометы, он установил, что она находится гораздо дальше от Земли, чем Луна. Этим он полностью опроверг утверждение Аристотеля о том, что кометы — образование подлунных сфер.

Браге вел многолетние и систематические наблюдения звезд и планет. Он составил впервые после Гиппарха и Птолемея каталог, который почти сто лет оставался самым лучшим и надежным справочников для любого астронома. Браге непрерывно занимался определением положения Луны и планет, и здесь его данные также были лучшими для своего времени.


i 033

Обсерватория «Ураниеборг» на острое Хвен, где работал Тихо Браге.

После смерти короля Фредерика Браге вынужден был покинуть Данию и переселился в Прагу, где в то время правил император Рудольф II — большой любитель алхимии и астрологии. В последний год своей жизни Браге взял к себе в помощники молодого И. Кеплера, который и получил пост директора императорской обсерватории в 1601 году, после кончины наставника.

Если Браге мы называем величайшим астрономом эпохи дотелескопической астрономии, то Кеплер — основоположник теоретической астрономии. Основу его исследований бесспорно составили наблюдения Тихо Браге. Он первым опроверг древний астрономический канон, согласно которому планеты имеют круговые орбиты, и показал, что движение планет происходит по эллиптическим траекториям.

«Это было так, как будто я бы проснулся и увидел новый свет», — воскликнул Кеплер после того, как убедился в правильности проделанных вычислений, результат которых сейчас во всех учебниках называется первым законом Кеплера. Это правило он получил, обрабатывая данные наблюдения за положением Марса. Но именно исследование Марса открыло Кеплеру общие закономерности планетных движений.


i 034

Законы Кеплера.

В 1618 году вышла его книга «Краткое изложение коперниковой астрономии» — первый полный учебник астрономии. В этом учебнике в форме вопросов и ответов приводились впервые правильные данные о Солнечной системе, давались элементы орбит планет. Кеплер был не только блестящим математиком, по своему духу он был прежде всего физиком, всегда стремился к тому, чтобы найти правила, по которым построен окружающий мир. Три таких правила ему удалось открыть: это три знаменитых закона, носящих его имя.

Сам Кеплер считал это главным результатом всей своей жизни. «Я писал свою книгу для того, чтобы ее прочли, теперь или после — не все ли равно? Она может сотни лет ждать своего читателя, ведь самому богу пришлось тысячи лет дожидаться того, кто постиг его работу».

Интересно, что в 1612 году Кеплером впервые была разработана оптическая теория телескопа, и один из типов телескопа был назван его именем, хотя сам Кеплер никогда не занимался практическим изготовлением оптических инструментов.

 

Телескопы — новая эра астрономии

 

Итак, через три года после смерти Тихо в Европе появились первые телескопы.

Напомним в двух словах о том, что представляет собой телескоп. Точно так же, как и человеческий глаз, это разновидность фотографической камеры. Но если наш глаз способен различать две точки объекта на угловом расстоянии около одной минуты, то телескоп с диаметром линзы или зеркала, равным 300 миллиметрам, а это в 100 раз больше диаметра зрачка глаза (3 мм), будет иметь разрешение примерно 0,4″. При диаметре 1,2 метра можно различать две неподвижные звезды с угловым расстоянием между ними 0,1″ и т. д.

Самый крупный современный телескоп имеет диаметр зеркала 6 метров. Он расположен в Советском Союзе в предгорьях Северного Кавказа близ станции Зеленчукская на высоте около двух километров.

Даже современные телескопы не могут дать изображения диска звезды, поскольку диаметр (видимый) ближайших звезд менее 0,01″. В современной оптической астрономии предпочитают использовать зеркала вместо линз, поскольку технически легче изготовить большое зеркало, чем однородный стеклянный диск такого же диаметра, который был бы пригоден для изготовления линзового объектива.

Но вернемся к временам Кеплера и Галилея. Имя изобретателя телескопа неизвестно. Мы знаем лишь одно: в 1604 году торговец стеклами для очков голландец Янссен «снял копию» с телескопа, принадлежащего неизвестному итальянцу. А уже в 1608 году сразу два человека, Липперсгей и Метиус, сделали «заявку» на изобретение телескопа. Но телескоп оставался не более чем забавной игрушкой в руках людей, был предметом развлечения на многочисленных ярмарках до той поры, пока Галилей, бывший, кроме всего прочего, мастером на все руки, не изготовил в 1609 году свой первый телескоп, который он направил на небо.

Интересно, что телескоп и микроскоп появились почти одновременно. Оба эти инструмента, один предназначенный для изучения макро-, а другой для исследования микрообъектов, произвели революционный переворот в естествознании.

Именно наблюдения и удивительные открытия Галилея, сделанные им с помощью телескопа, способствовали признанию гелиоцентрической системы мира Коперника. Сначала Галилей писал о своих открытиях лишь друзьям и знакомым, а 8 марта 1610 года появилась его книга «Звездный вестник», в которой и были изложены основные результаты. Что же удалось увидеть Галилею в телескоп?

Естественно, что прежде всего он направил его на Луну. Оказалось, что граница между светлой и более темной частью отнюдь не резкая. На рисунках Луны, сделанных Галилеем, видны светлые пятнышки в более темной части нашего спутника, а сама граница между освещенной и темной частями сильно изрезана. Галилей сразу догадался, что поверхность Луны не хрустальная, как учили в древности, а покрыта возвышенностями и долинами. Правда, он считал, что более светлые части поверхности — это суша, а более темные — водная гладь. Светлые точки на темной половине Луны — вершины гор, освещаемых лучами Солнца.

Но самое удивительное обнаружилось 7 января 1610 года, когда Галилей открыл три спутника у Юпитера, а 13 января увидел и четвертый. Стало ясно, что район Юпитера как бы наша Солнечная система в миниатюре.


i 035

Галилео Галилей (1564–1642) — великий итальянский ученый, один из основателей фундаментальных наук: физики, механики, астрономии.

Мы помним, в какие времена жил и работал Галилей. Ведь всего десятью годами ранее в Риме на Площади Цветов пылал факелом Джордано Бруно. Поэтому нет ничего удивительного в том, что, ища покровительства сильных мира сего, Галилей назвал открытые им новые небесные тела «медичейскими звездами» в честь великого герцога Тосканского Джулиано Медичи. Однако это название спутников Юпитера сегодня забыто. Весь мир знает их сейчас как Галилеевы спутники.

Открытия Галилея были сенсационны. Его тактический ход с названием спутников оказался правильным. В шахматной партии комментатор поставил бы около него восклицательный знак: уже 5 июня 1610 года Галилея уведомили о том, что отныне он — первый математик Пизанского университета и философ светлейшего герцога. Дополнительно к этому ученый получил денежный оклад — тысячу флорентийских скуди в год. Галилей 12 июня 1610 года удостоился титула математика его светлости герцога Тосканского, что сильно упрочило общественное положение ученого. А в этом он очень нуждался.


i 036

Телескоп Галилея, дающий 30-кратное увеличение.

«Лучшее — враг хорошего», — гласит пословица. Хотя Галилей, непрерывно совершенствуя свои телескопы, имел лучшие инструменты в Италии, он, конечно, был не единственным астрономом-наблюдателем. Многим хотелось проверить открытия Галилея, а многим и опровергнуть новые данные. Философы Падуанского университета пошли по наиболее легкому и проторенному пути. «Поскольку у Аристотеля, — говорили они, — ничего не сказано о спутниках Юпитера, то их не должно быть на небесном своде». Против Галилея качал плести интриги престарелый астроном Маджини из Болоньи, распространяя письма, в которых обвинял Галилея в лучшем случае в самообмане, а потом и в обмане.

Галилей приехал в Болонью, где был телескоп, и показывал собравшимся у Маджини профессорам Юпитер, но почти все заявили, что не видят никаких спутников. Так, вера в открытие Галилея была подорвана из-за того, что его телескоп был лучше, чем в Болонье, а многие наблюдатели не имели хороших навыков работы с телескопом.


i 037

Глобус земного шара.

Но Галилей неожиданно получил очень мощную поддержку с той стороны, с которой менее всего ожидал. Председатель Римской коллегии и иезуитского научного центра астроном и священник X. Клавий в рапорте главе инквизиции кардиналу Беллармину подтвердил истинность открытий Галилея. Серьезная поддержка пришла также из Праги. Главный астроном императора Рудольфа II Кеплер также безоговорочно поддержал Галилея.

Иезуиты пригласили Галилея в Рим и радушно приняли его там 29 марта 1611 года. Галилей к тому времени еще не вступил на свой трагический путь отречения. Все его открытия трактовались церковью в рамках геоцентрической системы мира, и лишь приблизительно в 1613 году Галилей начал борьбу за систему мира Коперника. Многочисленные друзья советовали ему быть осторожным и ограничиться лишь описанием наблюдений. Но Галилей не внял советам. Так была открыта одна из самых трагических страниц в истории науки.


i 038

Измерительный циркуль.

Конечно же, у Галилея были союзники. Великий гуманист Кампанелла, автор «Города Солнца», писал Галилею из тюрьмы письма, в которых просил его твердо стоять на позициях коперникианства. По иронии судьбы кармелитский монах Фоскорини также написал письмо, но не Галилею, а генералу своего ордена, в котором защищал систему Коперника. Тем не менее церковь обвинила Галилея в ереси. Сначала ему легко удалось снять с себя все обвинения инквизиции, тем более что сам глава римской церкви папа Урбан VIII был дружески расположен к Галилею… Но… «дружба дружбой, а служба службой», и Галилей в 1616 году снова предстал перед главой инквизиции кардиналом Беллармином, который запретил пропагандировать учение Коперника.

Галилей продолжал свою уничтожающую критику учения Аристотеля, и, конечно же, иезуиты не простили ему этого. Для начала они сделали папу врагом Галилея, и этого оказалось вполне достаточно для того, чтобы в 1635 году ученого вызвали на суд инквизиции, осудили и вынудили торжественно отречься от учения Коперника. Науке был нанесен тяжелейший удар.

Телескопы, аналогичные тем, которые использовал Галилей, могли давать увеличение не более чем в 30 раз. Поэтому, когда на смену им пришли телескопы X. Гюйгенса, одного из родоначальников современной оптики, удалось сделать ряд новых интересных открытий. В 1656 году Гюйгенс обнаружил спутник Сатурна и заинтересовался странными маленькими «шариками», которые были как бы привязаны к планете и все время изменяли свою форму, иногда совсем исчезая. Эти «шарики» наблюдал, еще Галилей. Анализируя форму этих «придатков» планеты, Гюйгенс предположил в 1659 году, что «Сатурн окружен тонким плоским кольцом, которое нигде не соприкасается с ним…». «Следует учесть, — продолжал он далее в своей книге „Система Сатурна“, — что эта гипотеза не является моим измышлением или фантазией… я видел это кольцо собственными глазами».

В те годы из знаменитого на весь мир венецианского стекла, украшавшего дворцы дожей, начали изготавливать самые лучше линзы для телескопов. Итальянец Д. Кассини, приглашенный Людовиком XIV в Париж и ставший там придворным астрономом, используя телескопы с «венецианскими стеклами», сумел открыть еще четыре маленьких спутника Сатурна.

Наблюдая планеты в телескоп, астрономы могли видеть на них пятна и полосы. Уже Гюйгенс заметил и описал экваториальные полосы на Юпитере и пятна на Марсе, а все тот же Кассини, имея лучшие в XVII веке телескопы и наблюдая пятна на Юпитере и Марсе, установил периоды осевого вращения этих планет. Удалось увидеть и затмения спутников Юпитера, когда они вступали в тень планеты.

Ну, и конечно же, исследовали очень много Луну. К середине XVII века появились первые карты спутника Земли. Огромные горы на Луне были названы позднее именами великих ученых — Тихо Браге, Коперника, Платона, Аристотеля.

А 13 марта 1781 года В. Гершель открыл Уран. Жизненный путь Гершеля поначалу никак не мог свидетельствовать о том, что он станет одним из величайших астрономов всех времен. Сын полкового музыканта, он с ранних лет занимался с учителями и отцом музыкой и уже в четырнадцать играл в военном оркестре. Но в доме Гершелей в Ганновере дети занимались не только музыкой. Вильям изучал языки, математику, философию.

Не имея никакой склонности к ратным подвигам и не желая принимать участия в военных действиях прусской армии в Европе, Гершель переехал в Англию. Здесь он получил место дирижера публичных оркестров в Лидсе. Уже в это время астрономия интересует его гораздо больше, чем музыка. Тридцатилетний Гершель покупает учебник астрономии и вскоре начинает строить телескопы.

Я нарочно употребил слово «строить», а не «изготавливать», так как телескопы Гершеля были самыми крупными инструментами XVIII века. Самый большой был, к примеру, столь велик, что наводить его на звезду должны были три человека: Гершель и двое рабочих. Ведь тогда еще не было так называемых параллактических систем, обеспечивающих автоматическое слежение за звездами при помощи часового механизма.

«Уметь видеть, — писал он, — это в некотором отношении искусство, которому должно учиться». Как не вспомнить здесь незадачливых оппонентов Галилея, которые не могли и не хотели видеть спутники Юпитера.

Успехи Гершеля в астрономии превзошли самые смелые ожидания родственников и друзей. Через девять лет после покупки учебника астрономии он открыл новую планету, которую хотел назвать именем короля Англии Георга III, но традиции оказались сильнее и планета получила имя римского божества — Уран.

Открытие новых планет хорошо оплачивалось в то время. За Уран Гершель получил от короля Георга III должность придворного астронома и жалованье 200 фунтов стерлингов в год, деньги по тем временам немалые, хотя, конечно, король Англии мог бы проявить и бóльшую щедрость. Не осталось в стороне и Лондонское королевское общество: оно присудило Гершелю ежегодную золотую медаль и избрало его в свои члены.

Самое интересное в истории открытия Урана состоит в том, что Гершель вначале принял этот объект на небе за комету и некоторое время отстаивал свою точку зрения. Это в известной мере подпортило ему репутацию в элитарном Лондонском королевском обществе.

Итак, 13 марта 1781 года впервые с использованием телескопа была открыта новая планета, седьмая по счету в нашей Солнечной системе. Открытия следующей планеты пришлось ждать довольно долго — около ста лет, и мы чуть позже вернемся к этой удивительной истории. Сейчас же, чтобы не нарушать хронологии событий, перенесемся в самое начало XIX века.


i 039

Схема рефлектора Ньютона.

В 1801 году итальянский астроном Д. Пиацци открыл малую планету, расположенную между Марсом и Юпитером. Эта зона Солнечной системы давно интересовала астрономов, так как по всем предположениям здесь должна была бы располагаться планета. Но, как ее ни искали, обнаружить планету не удавалось. Небесное тело, которое открыл Пиацци, было в тысячу раз менее ярким, чем Марс и Юпитер. Пиацци назвал его Церерой, по имени богини — покровительницы Сицилии.

В 1802 году в этой же области неба нашли еще одну малую планету — Палладу, затем Юнону, а в 1807 году — Весту. Но все они были очень маленькие — около нескольких сотен километров в диаметре. А ведь между Марсом и Юпитером ожидалась настоящая, полноценная планета. Ей даже название дали — Фаэтон.

С 1845 года начался новый поток открытий малых планет, получивших название астероидов. В 1852 году их насчитывалось 20, а к 1870 году — 110. К 1938 году число малых планет достигло 1500, и эта зона Солнечной системы получила название пояса астероидов. А как же Фаэтон? Даже сегодня есть ученые, которые считают, что Фаэтон был. Был, а потом взорвался, таким образом и появились астероиды в этом районе. Но эта гипотеза маловероятна.

 

Расстояние до звезд, их яркость, спектр

 

Итак, менее чем за два столетия, прошедших со времени внедрения телескопической техники в астрономию, в этой науке произошли поистине поразительные перемены. За это короткое в историческом масштабе время человечество узнало о Солнечной системе гораздо больше, чем за предыдущие тысячелетия развития астрономии. Более того, телескопы предоставили возможность впервые в истории науки провести измерения скорости света. В 1676 году это сделал датский астроном О. Рёмер, который, помимо чисто научной работы, занимался еще и воспитанием наследника французского престола.

Это были времена трех мушкетеров, миледи, кардинала Ришелье. К сожалению, насколько широк круг людей, знакомых с дворцовыми интригами по романам Дюма, настолько же мало известны перипетии великих астрономических открытий тех же самых времен. А ведь наверняка внутреннего драматизма здесь было ничуть не меньше, чем в блистательных романах Дюма.

Итак, О. Рёмер находился в Дании, где он исследовал руины Ураниеборга — знаменитой обсерватории Тихо Браге. Тем временем придворный астроном Кассини, проводя наблюдения в Париже за затмениями спутников Юпитера, установил, что в соединениях моменты затмений первого спутника запаздывают более чем на 10 минут. Рёмер, вернувшись с острова Хвен и узнав об этом, продолжил наблюдения над затмениями спутников Юпитера и очень скоро объяснил факт запаздывания конечностью скорости распространения света. Он вычислил ее из имевшихся в то время данных для орбит планет и получил значение для скорости света 2,3 × 1010 см/сек. Это было одним из величайших достижений астрономии.


i 040

Джон Доменико Кассини (1685–1712).

Мы до сих пор говорили о достижениях астрономии в «рамках» Солнечной системы. Не менее впечатляющие успехи были достигнуты в это время при изучении более далеких объектов. Здесь в наблюдении уже не Солнечной системы, а Вселенной бесспорное первенство принадлежало Гершелю. Именно его пионерским работам обязана астрономия появлению первой систематической «инвентаризации» нашего мира, которой астроном занялся после открытия Урана.

Гершель проделал неимоверно тщательную и кропотливую работу: подробный и систематический обзор всего неба. Каждый объект, попадавший в поле зрения его телескопа, заносился в каталог. Поскольку инструменты Гершеля были лучше телескопов Гринвичской обсерватории, ему удалось открыть удивительный факт. Многие объекты, которые до наблюдений Гершеля казались туманными пятнышками, состояли на самом деле из многих тысяч звезд.

Гершель открыл не менее 2500 туманностей и звездных скоплений. И до Гершеля многие ученые считали, что Млечный Путь состоит из огромного числа звездных скоплений. Этой точки зрения придерживался, в частности, И. Кант. Но до наблюдений Гершеля это были чисто умозрительные рассуждения.


i 041

Схема затмения спутников Юпитера (рисунок Рёмера). Исследуя затмения спутников Юпитера, Рёмер вычислил примерную скорость света.

В результате «звездного зондирования» Гершелю удалось впервые установить, что «…звездная система, в которой мы живем, …состоящая из многих миллионов звезд, является, по всей вероятности, обособленной туманностью». «То, что Млечный Путь является очень вытянутым слоем звезд различных размеров, — в этом не остается ни малейшего сомнения; точно так же ясно, что и наше Солнце — одно из входящих в него небесных тел».

Гершель первым ввел понятия островных вселенных, сравнимых по размеру с нашей Галактикой. Это был первый человек, шагнувший за пределы известного мира и, в принципе, правильно нарисовавший его структуру. «Caelorum perrupit claustra» («он проник сквозь преграды небес»), — гласит надпись на надгробном камне отца современной астрономии.

Гершель умер в 1822 году, а в 1835 году впервые было измерено расстояние до звезд. Сейчас нам остается лишь гадать, на чем было основано пророческое утверждение Гершеля: «…Я наблюдал звезды, свет от которых, как можно доказать, идет два миллиона лет, прежде чем он достигнет Земли». Это таинственное замечание величайшего астронома, по всей видимости, навсегда останется тайной истории науки.

Метод, который был использован для определения расстояния до звезд через 13 лет после смерти Гершеля, нам уже знаком. Это все тот же метод параллакса, но уже так называемого годичного параллакса, когда в качестве базы используется весь диаметр земной орбиты. Из рисунка становится ясным, что если проводить измерение положения звезды на небе с интервалом в шесть месяцев, то расстояние до звезды можно легко определить, используя данные наблюдений за ее положением на небе и значение диаметра земной орбиты.


i 042

Оле Кристенсен Рёмер (1644–1710).

Поскольку ошибки в определении параллакса были заметными, наблюдения за Вегой, альфа Центавра и другими звездами велись в течение нескольких лет различными обсерваториями мира. Для звезды альфа Центавра измеренный параллакс оказался близок к 1″. Легко показать, что в этом случае расстояние до звезды оказывается равным 4 × 1013 километров, или около 4 световых лет.

Познакомившись с понятием параллакса, нам теперь легко определить и термин «парсек». Это расстояние, с которого земная орбита видна под углом в одну секунду. Соответственно и звезда, параллакс которой составляет одну секунду, находится от Земли на расстоянии одного парсека. Использование годичного параллакса позволяет определять расстояния, не превышающие 30 парсек, так как угловые смещения звезд столь малы на этих расстояниях, что точность измерений становится явно недостаточной.

К началу XX века астрономы полностью отдавали себе отчет в том, что размеры нашей Галактики составляют тысячи парсек (пс), а расстояние до ближайших туманностей и того больше. Однако для надежного измерения таких расстояний нужен был новый метод. Этот метод был использован в 20-х годах нашего века Хабблом для определения расстояний до нескольких ближайших галактик, но, прежде чем рассказать об этом, необходимо познакомиться как с развитием телескопических методов, так и с некоторыми свойствами звезд, в особенности с теми, которые придают живописность и непередаваемое разнообразие ночному небу.

Еще со времен Гиппарха и Птолемея было принято различать звезды по степени их блеска. Птолемей установил для различий блеска шесть классов звезд, которые он называл «величинами». Звезда первой величины — самая яркая. Шестой величины — самая слабая. Слово «величина» относится лишь к степени блеска звезды и ничего общего не имеет с ее размерами. К 1843 году на небе насчитывалось 14 звезд первой величины, 51 — второй, 153 — третьей, 325 — четвертой, 810 — пятой и 1871 звезда шестой величины.

Человеческий глаз — очень тонкий оптический инструмент и способен чувствовать бóльшие различия в блеске, чем одна звездная величина. Так, сын В. Гершеля, известный астроном Д. Гершель, продолжавший работу отца, расположил звезды южного неба по степени блеска, используя звездные величины с двумя десятичными знаками!


i 043

Метод годичного параллакса.

Но такая точность требовала введения какой-то количественной основы. В 1869 году был сформулирован «психофизический» закон, согласно которому физическое восприятие света уменьшается (или увеличивается) как логарифм интенсивности воздействия. Как можно проиллюстрировать этот факт?

Человеческий глаз устроен так, что если мы будем в комнате последовательно зажигать 1, 2, 3, 4 и т. д. лампочек, то нам будет казаться, что степень увеличения освещенности комнаты при каждом включении следующей лампочки уменьшается. Поэтому можно принять, что звездные величины дают не различие в количестве света, а отношение интенсивностей.

Разброс в значениях отношений блеска для ярких звезд велик, а для слабых практически постоянен. Для слабых звезд уменьшение блеска на одну звездную величину соответствует изменению светового потока в 2,5 раза. Разница в видимых звездных величинах на 5 единиц соответствует изменению светового потока в 100 раз. В Оксфорде в 1850 году решили ввести эти отношения как определение звездных величин:

m1 – m2 = –2,5lg(E1/E2),

где m1 и m2 — звездные величины, а E1, E2 — потоки света от звезды.

Поскольку в нашей формуле для звездных величин в правой части стоит знак минус, то чем ярче звезда, тем меньше ее видимая звездная величина. Так, например, Солнце имеет видимую звездную величину – 26,7, Луна в полнолунии – 12,5, Венера – 5, Сириус – 1,6, Вега – 0, а самая слабая звездочка из сравнительно близких к нам звезда Вольф-359 имеет видимую звездную величину +13,5.

Нужно учесть, что видимая звездная величина ровным счетом ничего не говорит ни о количестве энергии, которую излучает звезда, ни о яркости ее поверхности. Это и понятно, так как видимая звездная величина совершенно не учитывает фактор расстояния. А ведь более близкая к нам небольшая и относительно холодная звезда может выглядеть на небе много ярче, чем отдаленный голубой гигант с огромной светимостью. Поэтому-то и очевидна необходимость введения абсолютной звездной величины и соответственно некоторого астрономического стандартного расстояния. В качестве такого расстояния приняли 10 парсек.

Теперь легко понять, что такое абсолютная звездная величина любой звезды. Это ее видимая звездная величина, если мы поместим светило на расстоянии 10 парсек от Земли. Проделаем мысленно такую операцию с нашим Солнцем. Его абсолютная звездная величина окажется тогда равной 4,8. Солнце будет выглядеть на таком расстоянии очень тусклой звездочкой, в сто с лишним раз менее яркой, чем Сириус.

Для чего нам понадобился разговор о яркости звезд? Дело в том, что если две звезды находятся от нас на различном расстоянии, то, зная расстояние до ближайшей звезды, можно без труда определить и расстояние до более далекой. Здесь важно только одно условие. Эти звезды должны быть одинаковы.

Действительно, представьте себе два одинаковых источника света. Расстояние между вами и первым источником 1 метр. Расстояние до второго неизвестно, но его ничего не стоит узнать, измерив силу света или освещенность от этих источников. Поскольку яркость источников обратно пропорциональна квадрату расстояния, то, зная интенсивность I1 и I2 обоих источников и расстояние до первого источника, без труда находим:

I1/I2 = l2

Этот метод дает возможность измерять расстояния более значительные, чем методы тригонометрических параллаксов. Мы не будем сейчас вдаваться в подробности, как узнать, что две звезды одинаковы. О классификации звезд и их свойствах необходим отдельный разговор. Примем пока на веру утверждение, что во Вселенной действительно есть яркие звезды одного и того же класса, как говорят астрономы. Для проблемы определения расстояний самыми интересными оказался класс переменных звезд, известных под названием цефеид.

Вообще говоря, переменные звезды, другими словами, звезды, изменяющие блеск на глазах людей и поколений, известны давно. Например, еще в древнем мире выделялась звезда дьявола — Алголь (созвездие Персея). Но лишь в 1782 году друг Гершеля астроном-любитель Д. Гудрайк исследовал периодические изменения ее блеска, хотя переменность этой звезды была замечена за 100 лет до него. Затем через два года он открыл переменность звезды δ Цефея. В настоящее время насчитывается более 14 тысяч переменных звезд, причем причины переменности у разных звезд — совершенно разные.

Но цефеиды — это звезды, которые ведут себя так же, как звезда δ Цефея: кривая блеска у них имеет один максимум и один минимум. Периоды изменения бывают достаточно большими — до 40–60 суток (долгопериодические цефеиды) — и короткими, преимущественно около 12 часов (короткопериодические цефеиды). Очень важно то обстоятельство, что цефеиды — яркие звезды, они примерно в сто раз, а есть такие, что и в 1500 раз ярче нашего Солнца, и поэтому их можно наблюдать не только в нашей Галактике, но и в других. Причем у более ярких цефеид период изменения блеска больше, чем у слабых.

В начале XX века удалось установить однозначную связь между периодом цефеид и их истинной яркостью. Это было принципиальным достижением. Ведь как бы далеко ни находилась цефеида, период колебаний блеска можно определить без труда.

Затем из установленной зависимости между яркостью и периодом вычисляется абсолютная звездная величина цефеиды, а потом и расстояние до нее. Именно таким путем, когда удалось установить присутствие цефеид в туманности Андромеды, было определено, что она удалена от нас почти на миллион парсек. Но это было уже в XX веке, когда мощные телескопы позволили «разрешить» маленькое туманное пятнышко (а именно так мы видим невооруженным глазом туманность Андромеды) на отдельные звезды.

Однако если цефеиды — маяки Вселенной, как их иногда называют, — оказались удобным инструментом для определения расстояний до ближайших галактик, то изображения далеких галактик, полученные даже на самых больших в мире телескопах, слабы и расплывчаты. Их сколь-либо детальная структура неразличима, а о разрешении их на отдельные, даже очень яркие звезды не может быть и речи. Как же можно определить расстояние до таких слабых и далеких объектов?

Галактики тоже делятся на специфические группы. В частности, они различаются по форме. Бывают эллиптические, спиральные галактики и неправильные. Внутри каждого типа также можно выделить отдельные классы галактик. Как правило, галактики одного класса имеют примерно одинаковую светимость. Конечно, на небе они могут сильно отличаться по яркости, так как находятся на разных расстояниях. Но если удастся установить, что класс их одинаков и, следовательно, равны их абсолютные светимости, то далее вступает в игру закон обратных квадратов, так же как и в случае цефеид. Таким способом можно оценивать расстояния до сотен миллионов парсек.


i 044

Телескоп-рефлектор Гершеля с диаметром зеркала 122 сантиметра.

Дальше уже становится трудным распознать тип структуры очень далеких галактик. И здесь астрономам помогло одно счастливое обстоятельство. Часто галактики образуют скопления, которые видны намного отчетливее, чем обычные галактики. Так вот, в подавляющем числе скоплений самый яркий компонент — гигантская эллиптическая галактика. Такая галактика светит в 100 раз ярче, чем наша. Именно они и используются как индикаторы расстояний на самых больших масштабах расстояний во Вселенной (до 1010 парсек).

Ну а дальше уже приходится работать с законом Хаббла, гласящим, что скорость разбегания галактик пропорциональна их расстоянию от нас V = Hr, где H — постоянная Хаббла. Скорость измеряется по величине красного смещения, о котором у нас шел разговор в первой главе. Но для того чтобы измерять красное смещение, астрономы должны были научиться работать в различных диапазонах спектра. Что это значит?

Явление дисперсии — зависимости коэффициента преломления света от длины волны — известно уже давно. Еще Ньютон в 1665 году, используя стеклянную призму, разложил солнечный свет на отдельные цвета — получил первую спектральную картину. Но действительное начало спектроскопических работ в астрономии мы должны связать с именем баварского самоучки И. Фраунгофера, который, тщательно изучая преломление света различных цветов призмами, открыл в спектре Солнца более 500 темных линий, названных впоследствии его именем. Фраунгофер был уверен, «…что причина возникновения этих линий и полос лежит в самой природе солнечного света».

Однако объяснить природу этих линий Фраунгофер не смог. Лишь в 50-х годах XIX века, после смерти Фраунгофера, благодаря работам Кирхгофа и Бунзена были установлены основные законы спектрального анализа. К этому времени число фраунгоферовых линий в спектре Солнца уже исчислялось тысячами. Кирхгофу удалось отождествить часть этих линий с эмиссионными линиями некоторых земных элементов. Поясним, что это такое.

Если вы подойдете к своей газовой плите и в голубое пламя горелки поместите щепотку соли, пламя немедленно окрасится в желтый цвет. Этот желтый цвет обязан своим происхождением парам натрия (химическая формула поваренной соли — NaCl). Вы наблюдаете таким образом эмиссию — излучение паров натрия. Но если вы будете пропускать свет от источника с более высокой температурой, чем температура пара натрия, вы получите линию поглощения на той самой длине волны (в желтой части спектра), на которой ранее излучал Na. Именно эти явления поглощения и эмиссии излучения и лежат, по сути дела, в основе спектрального анализа, получившего бурное развитие в астрономии после работ Кирхгофа.


i 045

Рефлектор У. Парсонса.

Спектральный анализ предоставил поразительную возможность детального определения химического состава атмосфер далеких планет и звезд. Поскольку спектральные линии для каждого элемента точно известны, любые их сдвиги за счет доплеровского эффекта дают возможность вычислять скорость объекта.

Но мне хотелось бы подчеркнуть незаменимость спектрального анализа для астрономии как инструмента при определении химического состава и физических свойств далеких небесных объектов. Ведь сравнительно недавно, 150 лет тому назад, французский философ-позитивист О. Конт писал о небесных телах в своем курсе философии: «Никогда никакими средствами мы не сможем изучать их химический состав… любое знание температур звезд неизбежно должно быть навсегда скрыто от нас». Сегодня благодаря астрономическим наблюдениям с использованием спектральной аппаратуры мы знаем и химический состав, и температуру звезд.

Прошло лишь 50 лет после появления «пророческого» высказывания Конта, а физика и астрономия нанесли ему решительный удар. В 1893 году было установлено, что чем выше температура излучающего тела, тем больше максимум излучения сдвинут в сторону коротких волн (закон Вина). Поразительно, что всего за двадцать лет до открытия этого физического закона известный ватиканский астроном патер Секки оценивал температуру Солнца в несколько миллионов градусов, и в это же время для того же Солнца французский физик Пуйе давал цифру в 2000 °C.

Смысл закона Вина состоит в следующем. Вы начинаете нагревать кусок железа. Сначала он темный, затем при температуре 600° появляется так называемое вишневое каление. Будем повышать температуру — появится красное каление, а перед началом плавления — желтое и белое. (Вспомним известное выражение «добела раскаленный».)

Но красный цвет соответствует более длинным волнам в оптическом спектре. Затем идет оранжевый с более короткими длинами волн, чем у красного, длина волны желтого цвета еще короче. Чем выше температура излучателя, тем более короткие длины волн соответствуют максимуму энергии в спектре излучения.

Открытие этого закона незамедлительно позволило установить правильную температуру нашего Солнца. Она оказалась равной примерно 6000 °C. А сейчас мы знаем температуры многих тысяч звезд, знаем химические элементы, присутствующие в этих звездах.

Итак, оптические исследования с помощью телескопов, несомненно, явились фундаментом всей современной астрономии. Они позволили установить размеры планет и расстояния до них, расстояния до звезд и галактик, определить химический состав звезд и температуру. Но, пожалуй, самое главное — то, что наблюдательная астрономия помогла человечеству раздвинуть границы мира и создать объективно верную картину Вселенной.

Прежде чем перейти к разговору о других методах наблюдательной астрономии, мне хотелось бы сделать небольшое «лирическое» отступление. В астрономии, как ни в какой другой науке, ярко проявилась роль любителей и самоучек. Вряд ли мы узнали бы сегодня о музыкальных наклонностях Гершеля, если бы он не занялся астрономией. Бывший музыкант стал великим астрономом и обессмертил свое имя открытиями именно в этой области знания.

Его друг, тоже астроном-любитель, открыл δ Цефея — переменную звезду.

Самоучка Фраунгофер открыл новый этап в наблюдательной астрономии.

Знаменитый астроном и математик Ф. Бессель начинал свой путь клерком торговой конторы в Бремене. Но кто знал бы об этом, если бы сейчас в любом курсе высшей математики не было бы функций Бесселя? Бессель — автор знаменитых «кенигсбергских таблиц», которые до сегодняшнего дня составляют постоянную часть астрономических ежегодников.


i 046

Фридрих Вильгельм Бессель (1784–1846) — немецкий астроном, математик, геодезист. Получил значение годичного параллакса звезды 61 Лебедя.

Я уже упоминал о том, что первоклассный астроном В. Ольберс был практикующим врачом. Сегодня каждый студент физфака и даже школьник знает про парадокс Ольберса. Метод Ольберса для вычисления орбит комет использовали целые поколения астрономов. Но ведь деньги-то на жизнь Ольберс получал от врачебной практики днем, а бессмертие зарабатывал ночью!

Еще пара исторических примеров. Основоположник систематического изучения солнечных пятен — аптекарь из Дессау Швабе впервые устанавливает цикличность их появления в первой половине XIX века.

В конце XIX века богатый американский аристократ П. Ловелл строит обсерваторию в Аризоне и своими наблюдениями вносит заметный вклад в исследование планет Солнечной системы.

Очарование и притягательность неба столь велики, что именно в астрономии мы видим наибольшее число примеров абсолютно бескорыстного стремления людей самых различных профессий к познанию тайн мира. Даже сегодня любители вносят свой вклад в наблюдения. Им особенно везет при открытии новых комет. Мне кажется, что этот поистине удивительный феномен в истории астрономии, к сожалению, мало известен широкому кругу читателей, совершенно недостаточно отражен в нашей научно-популярной литературе.

 

Всеволновая астрономия

 

Исследования в видимой области спектра охватывают очень узкую часть всего диапазона электромагнитных колебаний, поскольку человеческий глаз практически нечувствителен к длинам волн короче 3900 А и длиннее 7600 А (ангстрем). На рисунке не указан диапазон сверхдлинных радиоволн в тысячи километров длиной, поскольку в астрономии этот район длин волн не используется.

Гамма-излучение занимает область спектра короче 0,1 A. Этот тип излучения хорошо известен на Земле, оно возникает в процессах радиоактивного распада, но приходит на Землю также из космоса. От 0,1 до 100 A простирается диапазон рентгеновского излучения, которое с увеличением длины волны примерно при 3100 А переходит в так называемый дальний ультрафиолет. Ближний ультрафиолет занимает довольно узкий участок в спектре от 3100 до 3900 A. Справа от видимого света располагаются инфракрасные лучи с длинами волн от 0,76 до 1 миллиметра, а затем начиная с одного миллиметра весь дальний участок спектра занимают радиоволны.

Зачем нам понадобилось знакомство со спектром электромагнитных колебаний? Дело в том, что небесные объекты излучают не только в видимой области спектра. Так, например, рентгеновское и гамма-излучение, приходящие на Землю из космоса, несут информацию о грандиозных процессах, происходящих в глубинах Вселенной. Читатель, наверное, слышал термин «радиогалактики», то есть галактики, излучающие в радиодиапазоне. Кроме того, радиометоды дают неоценимую возможность определения расстояний до некоторых небесных тел.

Начнем с радиодиапазона. (Кстати, мы уже говорили об этом участке электромагнитного спектра колебаний, когда обсуждали историю открытия реликтового фона излучения неба.) Компании Bell везло на крупные открытия. Начало радиоастрономии тоже связано с работами инженера этой компании — К. Янского. В 1931 году он экспериментировал с вращающейся радиоантенной для выяснения возможных источников радиошума, которые могли бы помешать установлению коротковолновой радиотелефонной связи. Он работал, в частности, на волне 14,6 метра и столкнулся с непонятным на первый взгляд явлением. Шум, который он исследовал, имел максимум интенсивности, причем максимум был периодическим, с периодом в 23 часа 56 минут. Период этот обладал удивительным постоянством.

Довольно быстро Янский догадался, что максимум помех не связан с Землей, а приходит из космоса. Ведь за 23 часа 56 минут Земля делает полный оборот вокруг своей оси (по обычным часам, отсчитывающим солнечное время), и все звезды снова возвращаются в исходное положение относительно любого пункта Земли. Более того, удалось установить, что источник радиоволн находится в созвездии Стрельца, то есть, по-видимому, Янский занимался прослушиванием центра нашей Галактики. С этого момента и появилось новое направление в астрономии — радиоастрономия.

Радиотелескопы внешне абсолютно не похожи на оптические телескопы. Если диаметр рекордного зеркала Зеленчукского телескопа равен шести метрам, то размеры антенн радиотелескопов достигают иногда сотен метров. Задача радиоастрономов состоит в том, чтобы при помощи приемных устройств определить интенсивность и временные характеристики сигналов в различных диапазонах длин радиоволн, приходящих из космоса.

В принципе радиоастрономия очень похожа на оптическую, их отличают лишь диапазон волн и, соответственно, приемные устройства. Эта наука начала развиваться исключительно быстрыми темпами, хотя поначалу астрономы не обратили внимания на открытие Янского. В известном смысле пресса проявила тогда большую дальновидность, чем ученые. Космический шум транслировался по радио, о нем писали в газетах. Радиотехники и радиолюбители заинтересовались этим, и в 1936 году появились сообщения о шипящих звуках, исходящих, по-видимому, от Солнца. Но и эти факты не насторожили астрономов-профессионалов.

Лишь один человек во всем мире сделал должные выводы из открытия Янского. Это был американский радиолюбитель-коротковолновик Г. Рёбер. На свои средства он построил всю аппаратуру, в том числе и радиотелескоп с жестяным зеркалом диаметром в 9,5 метра, установленным на деревянной раме. Он использовал несколько приемников, настроенных на фиксированные длины волн: 9,33; 62,5 и 187 сантиметров. К весне 1939 года Рёбер наблюдал космическое радиоизлучение на длине волны 1,87 метра, а к 1944 году составил первую радиоастрономическую карту в районе Млечного Пути, где были нанесены контуры радиоизлучающих участков неба. В 1945 году он составил новую карту для волны 62,5 сантиметра. На этой карте он специально выделил созвездия Лебедя, Тельца, Девы и Кассиопеи, что, как мы увидим позже, полностью отражало существование там мощных источников радиоизлучения. Если Янского можно считать отцом радиоастрономии, то Рёбера можно смело назвать первым радиоастрономом.

Дальнейшим успехам радиоастрономии способствовало бурное развитие радиолокации, поскольку в радиолокации использовались особо чувствительные приемники. Можно было бы ожидать, что радары будут принимать не только сигналы от вражеских самолетов, но и космический шум. Так оно и оказалось. Только по вполне понятным причинам сведения о космических помехах появились в открытой печати лишь после окончания второй мировой войны. Помехи же, и очень мощные, наблюдались еще в 1942 году английскими радарами на волнах 5,45 и 3,75 метра. Этот факт был отражен в секретных донесениях, а в 1946 году появилась публикация, связывающая это явление с солнечной активностью.

Известные советские физики Н. Мандельштам и Н. Папалекси предлагали использовать радиолокацию для исследования небесных тел еще в 1928 году. Их идея была реализована после войны в 1946 году, когда с помощью радиолокационного метода было измерено расстояние до Луны на волнах 2,7 и 2,5 сантиметра. Годом раньше было обнаружено собственное радиоизлучение Луны, а через 10 лет ученые выяснили, что и другие планеты излучают в радиодиапазоне.

Речь сейчас шла главным образом о непрерывном радиоизлучении, которое принимается радиоастрономами в форме увеличения уровня шума. Но в космосе есть не только шум. Некоторые космические объекты излучают отдельные радиоволны. Мы видим, что ситуация становится похожей на оптическую спектроскопию, о которой недавно говорилось. И действительно, в последнее время достижения радиоспектроскопии очень значительны. Например, с помощью этого метода удалось открыть в межзвездных облаках большое количество органических молекул. К сегодняшнему дню число наименований органических соединений в космосе превысило пятьдесят.

Но началась радиоспектроскопия с открытия радиолинии межзвездного водорода с длиной волны 21 сантиметр. Эта знаменитая длина волны в течение многих лет рассматривалась как возможный канал связи между внеземными цивилизациями. Существование этой линии предсказал еще в 1944 году молодой голландский студент Ван де Хюлст, но оценки всех реальных возможностей наблюдений этой линии были проделаны крупным советским астрофизиком И. Шкловским.

Значение этой радиолинии, разумеется, не ограничивается вопросом контакта с другими мирами. Исследование глубин Вселенной на волне 21 сантиметр дает возможность «буквально пересчитать все водородные атомы межзвездной среды» (И. Шкловский), измерить такой принципиальный параметр межзвездных облаков, как их температуру, изучить динамические процессы в облаках, и, наконец, на этой волне можно зондировать, «видеть» нашу Галактику гораздо лучше, чем в видимом диапазоне, так как излучение с этой длиной волны не поглощается, в отличие от электромагнитных колебаний видимого диапазона, межзвездной средой. Поэтому на волне 21 сантиметр можно исследовать районы Галактики, находящиеся от нас на противоположной от центра Галактики стороне, на расстоянии многих тысяч парсек.

В Советском Союзе значительный вклад в радиоастрономические исследования был сделан В. Троицким, И. Шкловским, Н. Кардашевым, В. Гинзбургом и др. Так, например, академик В. Гинзбург и его ученики создали теорию «синхротронного» излучения. Теория эта — крупнейшее достижение советской науки.

Физические процессы, ответственные за радиосигналы от различных космических объектов, можно грубо разбить на две группы — тепловое и нетепловое радиоизлучение. Начнем с теплового. В любом нагретом теле мы имеем дело с тепловым движением атомов молекул и электронов. Разумеется, движение свободных электронов происходит в металлах или в плазме. Но нам сейчас особенно важен сам факт движения.

При столкновении часть кинетической энергии атомов или электронов переходит в электромагнитные волны и излучается в пространство. Именно такое излучение и называется тепловым. Совершенно ясно, что оно практически ничем (за исключением длины волны) не отличается от обычного излучения нагретого тела в видимой области спектра. Таким образом, любое нагретое тело излучает в радиодиапазоне, хотя и с существенно меньшими интенсивностями, чем в видимом и инфракрасном.

Но существуют и нетепловые формы радиоизлучения, и синхротронное излучение является как раз одной из форм нетеплового излучения. Синхротронным излучение названо потому, что оно впервые наблюдалось в мощных ускорителях — синхротронах. Это излучение возникает при взаимодействии релятивистских электронов с магнитными полями. (Релятивистской называется частица, скорость которой сравнима со скоростью света. Электроны с энергией больше 1 МЭВ считаются релятивистскими.)

Если в пространстве есть магнитное поле, то релятивистский электрон, так же, как и «нормальный», в соответствии с известными законами физики будет закручиваться по спирали вокруг магнитной силовой линии. Однако если электрон, движущийся в магнитном поле с небольшой скоростью, будет излучать при торможении в магнитном поле более или менее одинаково во всех направлениях, то в релятивистском случае излучение будет направлено в сторону движения электрона. А раз электрон движется по спирали, наблюдатель будет «видеть» вспышки радиоизлучения на различных частотах.


i 047

Синхротронное излучение электронов.

Поскольку энергия электронов велика (больше 1 МЭВ), а мы знаем, что подобная энергия соответствует температуре 1010 K, такое излучение — типичный пример нетеплового излучения. За возникновение электромагнитных колебаний в этом случае несут ответственность совершенно другие физические процессы, нежели хаотическое движение частиц в нагретом теле. Чтобы у читателя не возникло недоуменных вопросов, заметим, что излучение в виде «вспышек» можно было бы наблюдать только от отдельного электрона. Реальные же сигналы обусловлены взаимодействием многих электронов с магнитными полями космоса.

Важно, что синхротронное излучение как раз и является типичным нетепловым процессом и по целому ряду физических характеристик его можно отличить от теплового. Один из главных критериев здесь состоит в следующем: если радиоизлучение какого-либо источника имеет тепловой характер, то его интенсивность должна заметно расти с уменьшением длины волны.

Кстати говоря, и Янский, и Рёбер сначала считали, что имеют дело с тепловым радиоизлучением. Поэтому Рёбер и перешел на более короткие волны, чем Янский, в надежде получить более мощный сигнал. Рёбер думал, что на волне 9 сантиметров сигнал будет в 104 раз больше, чем у Янского. Ничего подобного ему увидеть не удалось. Более того, на этой волне он вообще не смог обнаружить космический радиошум. Поэтому-то сейчас нетрудно отличить тепловое излучение от нетеплового: нужно, в частности, провести измерение от какого-либо источника на нескольких длинах волн. Кроме того, нужно принимать во внимание, что даже при современных параметрах радиоаппаратуры тепловое радиоизлучение от ближайших звезд дает очень слабый сигнал, находящийся на пределе возможности его обнаружения.

Современные радиотелескопы — поистине циклопические сооружения. Советский радиотелескоп РАТАН-600 имеет диаметр главного зеркала 588 метров. У радиотелескопа в ФРГ параболическая антенна диаметром в 100 метров, а вес всего антенного комплекса составляет 3200 тонн. В фокусе параболической антенны собирается поток электромагнитного радиоизлучения, а специальное устройство, размещенное в фокусе телескопа, направляет его излучение в усилительные тракты приемника. Гигантский телескоп с антенной в форме полусферы диаметром 300 метров находится в кратере потухшего вулкана на острове Пуэрто-Рико.

В принципе работа современного радиотелескопа ничем не отличается от работы обычного радиоприемника. Но, поскольку радиоастрономия имеет дело с сигналами очень малой интенсивности, здесь приходится использовать огромные антенны, которые помогают услышать самые слабые сигналы из космоса. Одна из разновидностей радиоастрономических методов — радиоинтерферометрия — дает возможность исследовать источники радиоизлучения на небе с рекордным разрешением — одна десятитысячная доля секунды. Чтобы понять, что означает подобное разрешение, заметим, что под таким углом можно было бы увидеть с Земли след космонавта на Луне!

За 50 лет своего развития радиоастрономические методы исследования буквально открыли нам новый мир. Эти 50 лет ознаменовались крупнейшими открытиями. Об одном из них мы уже говорили — это обнаружение реликтового излучения. Второе открытие было не менее сенсационным. Речь идет о знаменитых пульсарах — нейтронных звездах, существование которых было предсказано теоретиками за 30 лет до их открытия.

Нейтронная звезда была впервые обнаружена с помощью радиотелескопа аспиранткой известного английского радиоастронома профессора А. Хьюиша — Д. Белл. (Здесь мне хочется немного отвлечься и сказать о том, что история науки знает немало примеров, когда работу делает один человек, а лавры достаются другому или другим. Вспомним хотя бы драматическую историю Р. Франклин, связанную с открытием двойной спирали ДНК. Загляните в книгу Д. Уотсона «Двойная спираль», и вам станет ясно, что страсти в мире науки по своему накалу не уступают страстям героев Шекспира.)

Итак, Д. Белл открыла вращающиеся нейтронные звезды — пульсары. За это открытие А. Хьюишу присудили Нобелевскую премию в области астрофизики. Ну а что же мисс Белл? Ее имя известно сегодня любому человеку, интересующемуся астрофизикой.

Но, разумеется, на «текущем счету» радиоастрономии не только реликтовое излучение и пульсары. Открыты мощные дискретные источники радиоизлучения, и в первую очередь ярчайший источник в созвездии Лебедя — Лебедь-Α. Расстояние от этого источника до нашей Галактики огромно — около 200 мегапарсек, что примерно в 300 раз больше расстояния до туманности Андромеды. И хотя Лебедь-Α в сотни раз дальше от нас, чем эта знаменитая туманность, поток радиоизлучения от Лебедя-Α в 100 раз больше. Но ведь это означает, что его мощность примерно в 10 миллионов раз превышает мощность излучения в радиодиапазоне туманности Андромеды.

В метровом диапазоне Лебедь-Α светит примерно так же, как и Солнце. Однако до Солнца 8 световых лет, а до Лебедя-Α — около 700 миллионов световых лет. Проделайте сами элементарный расчет и вы увидите, что мощность радиоизлучения Лебедя-Α в 1028 раз превосходит мощность радиоизлучения Солнца. До открытия этого источника (1946 год) астрономии не были известны столь грандиозные явления.

Сразу хочу оговориться, что сейчас мы не затрагиваем вопросов «почему?». Мы ведем разговор лишь в плане «что» и «как». О том, чем обусловливается излучение нейтронных звезд, дискретных источников и других объектов во Вселенной, мы будем говорить в последующих разделах книги.

Вернемся к великим радиоастрономическим открытиям XX века. Речь сейчас пойдет о том, как удалось обнаружить, пожалуй, самые загадочные наблюдаемые объекты Вселенной — знаменитые квазары. К 1960 году несколько радиоисточников было надежно отождествлено со звездами, что явилось большим сюрпризом для астрономов. Ведь потоки радиоизлучения даже от близких к нам звезд очень малы. Радиоисточники отождествлялись всегда с галактиками и туманностями. Тем не менее упомянутые источники обладали вполне приличной интенсивностью.

Американский астроном М. Шмидт решил исследовать оптический спектр одного из таких источников, который наблюдался на небе как звездочка 13-й величины. Первые же результаты Шмидта оказались совершенно обескураживающими. Линии спектра этой звездочки — источника 3C 273 — не удавалось отождествить ни с какими известными лабораторными линиями! Наконец, Шмидту удалось доказать, что в спектре 3C 273 присутствуют некоторые линии водорода. Но эти линии имеют настолько сильное красное смещение, что объект должен удаляться от нас со скоростью 42 тысячи км/сек. Тогда расстояние до него около 2 миллиардов световых лет (600 мпс)! И светимость источника в этом случае должна в 100 раз превышать светимость нашей Галактики, относящейся к разряду гигантских.

Итак, среди многих тысяч звезд 13-й величины оказался объект, заведомо меньший, чем Галактика, и в то же время намного более яркий. Этот объект вряд ли когда-либо удалось бы обнаружить, если бы он не был радиоисточником. Таким образом, радиоастрономы помогли «оптикам» в этом случае открыть так называемый квазизвездный источник — квазар.

Эти объекты занимают особенное место в астрономии как новый класс объектов наряду с галактиками и звездами, но природа их до конца не понята. Свет, излученный некоторыми квазарами, путешествовал во Вселенной более 10 миллиардов лет, прежде чем попал в объектив телескопа. И. Шкловский считал открытие квазаров величайшим достижением астрономии XX века.

Современную астрономию называют всеволновой. Возможность работы по всему диапазону электромагнитного спектра принесла революционные открытия и неизмеримо повысила уровень наших знаний о самых различных объектах Вселенной. Всего 50 лет назад астрономия напоминала человека, лишенного радости видеть цвета и краски окружающего мира. И вдруг в какой-то момент на него обрушилось буйство красок и вся окружающая природа предстала в совершенно ином виде. Переворот в астрономии был еще радикальнее, поскольку наблюдения в видимом оптическом диапазоне ограничиваются поглощением света в межзвездной среде. С освоением новых участков спектра у астрономов в буквальном смысле слова упала с глаз пелена.

Теперь посмотрим, что дали наблюдения неба в инфракрасной области спектра, располагающейся на шкале длин волн между видимым светом и радиоволнами. Человеческий глаз, как уже говорилось, не в состоянии увидеть инфракрасное излучение. Мы можем его только почувствовать, поднеся, скажем, руку к горячему утюгу. Поэтому в инфракрасной астрономии в качестве приемников радиации используются специальные устройства, например, хорошо известная каждому школьнику термопара.

Здесь следует вкратце остановиться на одном важном обстоятельстве. Мы уже говорили о существенном ограничении наблюдений в видимом диапазоне: свет заметно поглощается межзвездной средой. В то же время в видимом диапазоне земная атмосфера довольно прозрачна. Атмосфера очень сильно «режет» коротковолновую часть спектра, начиная с ультрафиолетового излучения; что касается инфракрасного (ИК) диапазона, то молекулы воды и углекислого газа, всегда присутствующие в атмосферном воздухе, поглощают в этом диапазоне довольно сильно. К счастью, между полосами молекулярного поглощения воды и углекислоты есть узкие окна, в которых можно вести наблюдения. Кроме того, если поднять прибор на аэростате, шаре, зонде, задача наблюдения существенно облегчается. В ряде случаев можно проводить наблюдения в ИК-диапазоне даже с высокогорных обсерваторий. Что касается радиодиапазона, то атмосфера практически прозрачна для радиоволн длиной от 1 сантиметра до 20 метров. Теперь ясно, что сам факт поглощения электромагнитных колебаний земной атмосферой в значительной мере стимулировал проведение спектральных измерений на больших высотах и в космосе. В настоящее время есть проекты размещения в космосе и оптического телескопа, причем с довольно большим зеркалом, диаметром более двух метров. Отсутствие атмосферы даже для видимого диапазона даст огромный выигрыш при наблюдениях.

Но вернемся к ИК-астрономии. Можно без преувеличения сказать, что измерения в ИК-диапазоне внесли решающий вклад в исследование химического состава атмосфер планет. Благодаря именно этим измерениям нам удалось узнать, что атмосфера Венеры состоит не только из углекислого газа, она содержит такие экзотические молекулы, как угарный газ, хлористый и фтористый водород, а в облаках Венеры присутствует серная кислота. В атмосферах Венеры и Марса удалось обнаружить пары воды и определить их количество, в облаках Юпитера нашли аммиак, узнали, из чего состоят кольца Сатурна, оценили химический и минералогический состав грунта Луны, Марса, астероидов, спутников Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна.

Наблюдая Юпитер и Сатурн, удалось открыть внутренние потоки тепла от этих планет. Другими словами, оказалось, что и Юпитер и Сатурн отдают в пространство больше тепла, чем получают его от Солнца.

С помощью ИК-измерений удалось сделать поразительные открытия не только в мире планет, но и в мире звезд. Именно здесь и сказалось решающее преимущество ИК-излучения перед видимым светом: пыль и газ в межзвездном пространстве поглощают видимый свет во много раз сильнее, чем излучение в ИК-диапазоне. С помощью измерений в инфракрасном диапазоне были открыты так называемые ИК-звезды, которые в обычные телескопы были видны как объекты 20m (20-й звездной величины), а в ИК-диапазоне они светили как объекты 0m. Разница гигантская — в 20 звездных величин!

Температура этих звезд оказалась очень низкой (по звездным меркам) — всего 2000 К. В атмосферах многих холодных звезд есть вода и окись углерода. Около некоторых звезд, и молодых и старых, существуют пылевые оболочки, а совсем недавно было установлено, что есть звезды, и среди них одна из самых близких к нам — Вега, окруженные пылевыми дисками. Возможно, эти образования и есть знаменитые протопланетные туманности. Быть может, по соседству с нами вскоре отыщут звезды, имеющие планетные системы!

С помощью ИК-астрономии были открыты протозвездные объекты и загадочные тела промежуточной массы между звездами и планетами. Один из них имеет массу в десять раз большую, чем Юпитер, но соответственно меньшую, чем наш желтый карлик — Солнце.

Астрофизики, используя возможности ИК-астрономии, впервые получили изображение центра нашей Галактики. Была изучена структура этого района, и удалось обнаружить, что в центре нашей звездной системы расположен точечный источник инфракрасного излучения. Но что это такое? Сегодня мы не можем ответить на этот вопрос. Мир астрономии поистине неистощим на сюрпризы.

Новые сведения об окружающем мире идут не только с длинноволнового конца спектра. Коротковолновый диапазон в этом смысле старается «не отставать» от радиоволн и ИК-излучения. Но здесь уже нужно учесть то обстоятельство, что научную информацию ученые получают в этом диапазоне длин волн только с больших высот и из космоса: атмосфера задерживает, «режет» коротковолновую, высокоэнергичную часть спектра.

С одной стороны, это, безусловно, хорошо. Хорошо хотя бы в том смысле, что если бы ультрафиолетовое излучение Солнца могло достигнуть поверхности Земли, то очень скоро наша планета превратилась бы в безжизненную пустыню. Ведь ультрафиолетовое излучение Солнца губительно для всего живого. Но так как наша планета имеет атмосферу, а в ней есть слой озона, поглощающий жесткий ультрафиолет, то мы можем жить спокойно, а астрономы должны использовать высотные ракеты и спутники для исследования различных объектов в коротковолновой части спектра — ультрафиолете, рентгене и гамма-диапазоне.

Ультрафиолетовое излучение особенно заметно в спектрах горячих молодых звезд, имеющих высокую температуру. Ну, и конечно же, наше Солнце является мощнейшим источником ультрафиолета, поскольку эта звезда ближе всего к нам. Я не буду много говорить сейчас об исследовании в ультрафиолетовой области спектра. Укажу лишь на один замечательный пример.

В мире звезд существуют так называемые белые карлики — маленькие, горячие звезды очень высокой плотности. Если бы нам удалось зачерпнуть вещество белого карлика чайной ложкой и взвесить его, стрелка весов остановилась бы около деления 5 тонн. Так вот, теория белых карликов была создана уже давно, но они очень трудно наблюдаемы в видимом диапазоне из-за малых размеров. До 1975 года по этой причине не проводилось прямых измерений размеров белых карликов. Но когда на спутнике «Коперник» были проведены измерения в ультрафиолете, оказалось, что максимум излучения Сириуса-Β лежит в области 1100 А, что соответствует температуре поверхности звезды около 30 000 К. Теперь по известной для Сириуса-Β видимой звездной величине можно было вычислить радиус звезды. Он оказался равным 4200 километрам, меньше, чем радиус Земли. Интересно, что последующие измерения дали более низкую цифру — 26 000 К. Но система Сириуса светит еще и в рентгене, и этой температуры не хватает для объяснения рентгеновского излучения. Пока причина этого неизвестна.

Если бы мы «закрыли» все участки спектра, кроме ультрафиолетового, ночное небо выглядело бы совершенно иначе, чем сейчас. На нем наблюдалось бы много очень ярких туманностей солидных размеров. Например, одна из них заняла бы все созвездие Ориона. Интересно выглядело бы в ультрафиолете Солнце: его внешние части были бы гораздо ярче диска звезды.

Отправимся теперь в область самой коротковолновой астрономии — рентгеновскую и гамма. Здесь уже телескопы совсем не похожи на оптические или радио. Это специальные физические приборы для регистрации жестких, то есть обладающих высокой энергией квантов, излучений в рентгеновском и гамма-диапазоне. Ясно, что кванты с высокой энергией могут рождаться в физических процессах с большим энерговыделением. Поэтому окно рентгеновской и гамма области спектра является окном в астрофизику высоких энергий. В первую очередь следует отметить открытие мощных рентгеновских источников — нейтронных звезд в тесных двойных системах. Мощность этих источников в сотни тысяч раз больше мощности Солнца, также излучающего в рентгеновском диапазоне.

Рентгеновские лучи принесли нам информацию о присутствии в межгалактическом пространстве внутри скоплений галактик горячей плазмы с температурой сто миллионов градусов. Мощными источниками рентгеновского излучения являются вспышки сверхновых, процессы «каннибализма» в мире галактик, вспыхивающие нейтронные звезды — барстеры.

Читателю не надо бояться новых загадочных терминов. Мы просто договоримся сейчас о том, что, когда разговор пойдет о мире галактик, нам станет понятно, что такое «каннибализм», беседуя о звездах, мы узнаем о барстерах и т. д. Сейчас же я хочу еще раз повторить, что наблюдения рентгеновского излучения в астрономии всегда связаны с высокими энергиями.

Рентгеновская астрономия приносит сюрпризы и неожиданности. В 1983 году советские и японские спутники зарегистрировали «внезапную смерть» источника Геркулес Х-1 в рентгеновском диапазоне. Почему? На очередной вопрос, поставленный природой перед астрофизиками, ответа пока нет.

Очень интересен рентгеновский источник Лебедь Х-1, который уже более десятка лет будоражит воображение астрофизиков. Наблюдения как будто не противоречат гипотезе о черной дыре, входящей в состав двойной звездной системы Лебедя, но… скажем прямо, имеются и альтернативные объяснения наблюдаемой картины. Конечно же, хотя на счету рентгеновской астрономии колоссальные достижения, открытие черной дыры было бы ее триумфом. Но пока триумф откладывается.

Здесь не следует забывать, что рентгеновская астрономия очень молода — лишь в 1970 году был запущен спутник «Ухуру», с помощью которого были сделаны фундаментальные открытия, например, нашли рентгеновские звезды — тесные двойные системы, где одним из компаньоном является нейтронная звезда.

Еще моложе гамма-астрономия. Лишь в 1972 году был запущен специализированный спутник для изучения гамма-излучения.

Сразу же уместно обсудить вопрос о том, какие процессы и объекты на небе могут быть источниками космического гамма-излучения? Таких источников несколько. Гамма-излучение может возникать, если энергичные протоны, входящие в состав космических лучей, или релятивистские электроны сталкиваются с ядрами межзвездных атомов или молекул. Релятивистские электроны могут порождать гамма-кванты при взаимодействии с квантами электромагнитного излучения различной энергии, заполняющими межзвездное пространство, и при движении в магнитных полях (синхротронное излучение). Поэтому огромные холодные газопылевые облака, заполняющие межзвездное пространство, обязательно должны были быть источниками гамма-излучения: ведь плотность вещества в них больше, чем в обычном межзвездном пространстве, и вероятность взаимодействия протонов космических лучей с содержимым облака соответственно повышается.



Изображение остатка сверхновой Кассиопеи Α в гамма-диапазоне.

Так оно и оказалось. Некоторые максимумы гамма-излучения на небе удалось отождествить с облаком в созвездии Орион, где происходит рождение звезд. Это облако находится сравнительно недалеко от нас: около 500 пс. Еще ближе (150 пс) к нам звезда ρ Змееносца. Около нее также расположено облако — источник гамма-излучения. На основе результатов спутниковой гамма-астрономии удалось даже построить «гамма-карту» части нашей Галактики, поскольку гамма-излучение в Галактике подчеркивает ее крупные детали.

Природа некоторых гамма-всплесков не понята до настоящего времени. Так, например, настоящая загадка — гамма-излучение от пульсара Паруса-Х. Он слабо светит в рентгене, но дает заметные всплески в радио-, в оптическом и в гамма-диапазоне. Так вот, оказывается, что за один и тот же промежуток времени в радиодиапазоне можно видеть один импульс, а в гамма- и оптическом — два. Почему — неясно.

5 марта 1979 года на небе был зарегистрирован мощный гамма-всплеск. Нельзя исключить того, что источником этого всплеска является вспыхнувший молодой пульсар — остаток взрыва Сверхновой, происшедшего в Большом Магеллановом Облаке. Есть на небе и гамма-источник CG 195+4, который излучает лишь гамма-кванты, не проявляя активности ни в каком другом диапазоне. Было открыто гамма-излучение от знаменитого квазара 3С 273. Мощность его гамма-излучения в сотни раз превышает полную мощность излучения всех звезд нашей Галактики. Причем она примерно такая же, как в радио и в оптическом диапазоне.

Даже из этих примеров видно, какие широкие перспективы открывает и какие важные задачи ставит перед астрофизиками гамма-астрономия.

Для исследований самых жестких гамма-квантов с энергиями 102–104 ГЭВ используются… оптические телескопы! Эта на первый взгляд невозможная вещь объясняется просто.

При прохождении сверхжестких гамма-квантов через атмосферу возникают очень энергичные электроны, вызывающие знаменитое «черенковское» излучение. Это излучение и можно в конце концов поймать при помощи оптического телескопа.

Итак, электромагнитные колебания являются сейчас основным источником информации в современной астрономии. Можно смело сказать, что астрономия не возникла бы как наука, если бы у нее не было глаз. Сначала это были просто глаза человека, затем они вооружились оптическими телескопами, затем появились радиотелескопы. Сейчас термины «рентгеновская, гамма-астрономия» общеприняты — астрономия стала всеволновой.

Но только ли электромагнитный спектр несет нам информацию о космосе? Конечно, нет. Ведь космос буквально «нашпигован» заряженными и незаряженными частицами. Это ядра атомов различных химических элементов, просто протоны высоких энергий и некоторые другие частицы. Все они объединяются в так называемые космические лучи. Исследование космических лучей также несет информацию о грандиозных катаклизмах, происходящих во Вселенной, в частности, о взрывах Сверхновых звезд, процессах в ядрах галактик.

На страницах оригинальных статей и обзоров все чаще появляется новый термин — нейтринная астрономия. Действительно, эти неуловимые из-за своего чрезвычайно слабого взаимодействия с веществом частицы могут дать исключительно важную информацию о внутреннем строении звезд, в том числе и нашего Солнца. Изучение реликтовых нейтрино, оставшихся после Большого Взрыва, принесло бы неоценимую информацию о первых мгновениях жизни нашей Вселенной. Но регистрация нейтрино — задача исключительной сложности. Это, кстати, мы увидим, когда речь пойдет о нашем Солнце и проблеме солнечных нейтрино. Тем не менее многие ученые считают, что нейтринная астрономия уже к концу этого века скажет свое веское слово. И мне кажется, что это будет очередная порция сюрпризов и загадок, которые природа до поры до времени держит про запас, а потом вдруг дает возможность прикоснуться к своим тайнам, то ли, чтобы подхлестнуть любопытство человека, то ли лишний раз щелкнуть его по носу.

Есть еще один очень интересный потенциальный источник информации из космоса. Это гравитационные волны — следствие ОТО. Большой бум в науке возник более 15 лет тому назад, когда бывший американский адмирал, большой энтузиаст астрофизики Д. Вебер объявил о том, что ему впервые удалось зарегистрировать таинственные гравитационные волны. Аппаратура Вебера состояла из алюминиевых цилиндров весом 4 тонны каждый.

Если на цилиндр подействует гравитационная волна, в нем должны возникнуть собственные колебания с частотой 1600 герц. Эти колебания можно регистрировать чувствительными приборами. Сначала Вебер использовал для измерения лишь один цилиндр. В этом случае, естественно, нельзя было дать никакой гарантии в том, что колебания цилиндра вызваны именно гравитационными волнами, а не какими-либо другими, более земными причинами. Поэтому-то и появилась вторая установка с гигантским алюминиевым цилиндром в Иллинойсе, чтобы можно было регистрировать гравитационные волны одновременно в разных точках земной поверхности.

На минуту отвлечемся от эксперимента Вебера и попытаемся понять, что такое гравитационные волны. Нам удастся это лучше всего, если мы вспомним два обстоятельства. Первое: теория электромагнитного поля и теория гравитации ОТО — две классические теории, оперирующие с силами бесконечного радиуса действия. Второе: знаменитый опыт Г. Герца с испусканием электромагнитных волн.

Теперь ясно, что, так же как и в классической теории электромагнитного поля, где колебания электрического заряда будут вызывать электромагнитные волны, в ОТО колебания массивного тела будут вызывать гравитационные волны. Источником гравитационных волн поэтому может быть процесс коллапса звезды в черную дыру, взрывы Сверхновых, тесные двойные системы с массивными компаньонами.

Но трудность состоит в том, что даже при наличии двойных систем и других источников гравитационных волн силы, вызываемые этими волнами, ничтожны. Если, например, Солнце находилось бы в системе двойной звезды и воображаемый компаньон, имеющий такую же массу, как Солнце, располагался на расстоянии одной астрономической единицы от нашего светила, гравитационное излучение составило бы всего 10–14 от мощности электромагнитного излучения этих звезд. Именно поэтому, когда в 1969 году Вебер сообщил о том, что удалось зарегистрировать гравитационные волны, идущие от района центра Галактики, ему не поверили.

Результаты Вебера большинству ученых кажутся неубедительными и малоправдоподобными, поскольку мощность источника гравитационных волн в случае достоверности регистрации слишком велика. Для обеспечения подобной мощности должна существовать черная дыра, поглощающая в год массу вещества, равную нескольким тысячам масс Солнца.

Построенные позже более чувствительные, чем у Вебера, детекторы не зарегистрировали до сих пор гравитационного излучения. Тем не менее ОТО предсказывает это излучение, а некоторые астрономические наблюдения как будто указывают на существование этого излучения.

Что здесь имеется в виду? ОТО предсказывает, что в тесных двойных системах непрерывное излучение энергии в виде гравитационных волн должно изменять орбиты компаньонов системы и приводить, в частности, к уменьшению периода обращения.

Наблюдения за пульсаром PSR 1913+16 прекрасно согласуются с вычислениями, выполненными на основе ОТО. Если бы уменьшение периода можно было бы однозначно связать с гравитационным излучением, результаты наблюдений за PSR 1913+16 явились бы очередным триумфом ОТО и их с полной определенностью можно было бы трактовать как ясное доказательство гравитационного излучения. Но… к сожалению, уменьшение периода может быть вызвано и другими причинами.

Сегодня разрабатываются все новые и новые системы для детектирования гравитационных волн. Здесь особенно интересна идея использовать всю Землю в качестве детектора гравитационных волн, которые должны возбуждать в теле нашей планеты малые по амплитуде сейсмические волны. Подобные волны уже зарегистрированы, но (опять это «но») нужна схема совпадений, поскольку, если эти волны зарегистрированы лишь в одном детекторе (Земле), интерпретация не может считаться однозначной. В схему эксперимента предполагается дополнительно включить Луну. Если микросейсмы с определенными характеристиками будут одновременно зафиксированы и на Луне и на Земле, тогда можно будет праздновать победу новой отрасли астрономии — гравитационной.

Этап бурного развития наблюдательной астрономии во второй половине XX века неспроста называют «второй революцией». Первая связана с именами Коперника и Галилея, вторая — с освоением практически всего диапазона электромагнитных колебаний и полным техническим перевооружением астрономов.

На очереди — решение увлекательных загадок Вселенной: поиск цивилизаций, выяснение природы квазаров, решение проблемы скрытой массы и многое другое. На очереди — вынос в космос больших оптических и радиотелескопов, создание космической голографии — получение трехмерных изображений некоторых объектов, измерение угловых расстояний в 10–8 секунды дуги, в десять тысяч раз более высокая точность, чем сегодня. Одним словом, реальные перспективы исследования новых загадок окружающего нас мира становятся все более и более реальными.

 

Поиск

Поделиться:

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru