Чтение онлайн

Мы снова можем получить некоторое представление об интересующих нас расстояниях, исходя из кажущейся яркости объектов. Обратимся к туманности Андромеды (фото I).

Ее полная яркость примерно такая же, как у средней звезды, удаленной на 10 световых лет. Очень мощные телескопы показывают, что число всех звезд в этой галактике такого же порядка, как и в нашей, — около 50 миллиардов. Отсюда мы должны заключить, что на самом деле эта туманность в 50 миллиардов раз ярче отдельной звезды нашей Галактики. Она кажется столь же яркой; следовательно, расстояние до туманности Андромеды должно быть в 50·109 раз больше, чем до ближайших звезд, т. е. должно равняться произведению 10 световых лет на 50·109, что дает около 2 миллионов световых лет. Это число неоднократно проверялось другими, более точными методами и оказалось примерно правильным. Расстояние от нашей Галактики до соседней приблизительно в 20 раз больше диаметра Галактики. Свет, приходящий от туманности Андромеды, покинул ее тогда, когда нашу Землю населяли еще не люди, а их обезьяноподобные предки.

Тот же метод можно применить к другим видимым на небе галактикам. Сравним кажущуюся яркость какой-либо галактики с яркостью туманности Андромеды; пусть яркость первой, скажем, в x раз меньше; тогда данная галактика в x раз дальше. Это заключение основано на гипотезе, что все галактики имеют приблизительно одинаковые размеры и истинную яркость. Многие тщательно выполненные наблюдения подтверждают эту гипотезу.

Таким путем можно получить представление о распределении по небу множества спиральных туманностей, которые мы видим в сильные телескопы. Теперь нам известно о миллионах таких туманностей. Мы нашли, что они распределены в пространстве более или менее равномерно по всем направлениям, причем среднее расстояние между соседями достигает нескольких миллионов световых лет. Расстояние между нашей Галактикой и туманностью Андромеды приблизительно равно среднему расстоянию между галактиками вообще. Чем дальше мы смотрим, тем больше галактик находим. Дойдем ли мы в своих поисках до конца?

На этот вопрос можно ответить утвердительно благодаря открытию очень интересного и неожиданного явления, сделанного несколько десятилетий назад. Все эти галактики движутся от нас, и, чем дальше они находятся, тем быстрее удаляются. Откуда мы это знаем?

Для этого надо лучше изучить свет, приходящий к нам от туманностей, т. е. от всех 50 миллиардов звезд, составляющих туманность. Как будет показано в гл. III, световой луч есть электромагнитная волна, и ее частота (т. е. число колебаний, совершающихся в 1 секунду) определяет цвет. Свет можно разложить в спектр, пропуская его через призму, и тогда цвета расположатся по частотам: низкие частоты с одной стороны, высокие — с другой. Изучая свет, испускаемый звездой, легко показать, что, хотя мы видим все цвета, некоторые частоты все же отсутствуют. В спектре большинства звезд отсутствуют определенные частоты.

Свет с такими частотами поглощается более холодным газом на поверхности звезд. Темные линии в спектре расположены как раз на тех местах, в которых находился бы свет соответствующей частоты, если бы. он не поглощался. Например, в большинстве звездных спектров наблюдаются две темные линии в фиолетовой части, указывающие на поглощение газообразным кальцием. Мы не удивляемся, находя те же темные линии в спектрах отдаленных галактик, так как их излучение — это сумма излучения всех входящих в них звезд. Но весьма поразительно, или сперва казалось поразительным, что те же две темные линии находятся не при ожидаемой частоте, а смещены в сторону меньших частот. В очень слабых галактиках эти линии видны в красном конце спектра, а не в фиолетовом.

Такое смещение частоты хорошо известно, и его можно прямо истолковать как следствие движения объекта относительно наблюдателя. Если источник света удаляется от наблюдателя, то частота испущенного света уменьшается, точно так же как звук автомобильного сигнала кажется ниже, когда автомобиль удаляется от нас. Наблюдаемое смещение пропорционально скорости и, следовательно, может служить для определения скорости удаляющихся объектов.

Поэтому смещение частоты света от отдаленных галактик можно истолковать как доказательство того, что они удаляются от нас. Скорость этого движения оказалась пропорциональной расстоянию до галактики. Движение ближайшей галактики, например туманности Андромеды, почти невозможно обнаружить, но галактики, отстоящие от нас примерно на 100 миллионов световых лет, удаляются со скоростью около 3000 км/сек. Численная величина этой скорости, выраженная в километрах в секунду, примерно в 30 раз больше расстояния, выраженного в миллионах световых лет. Такая связь между скоростью и расстоянием была впервые найдена американским астрономом Хабблом в 1929 г. В настоящее время наиболее сильные телескопы позволяют различать галактики, удаленные на 3 миллиарда световых лет. Они удаляются от нас со скоростью 90 000 км/сек, что составляет почти треть от скорости света.

Расширение мира галактик указывает нам предел, до которого мы можем их увидеть. Мы можем создавать все более и более мощные телескопы, пытаясь наблюдать все более удаленные галактики, но последние будут убегать от нас со скоростью, все более приближающейся к скорости света. Если объект удаляется от нас со скоростью, близкой к скорости света, его излучение будет казаться ослабленным; чем ближе его скорость к световой, тем меньше будет его яркость, тем менее заметным он станет.

Причину этого легко понять, сравнивая свет, испущенный источником, с пулями, вылетающими из ружья во всех направлениях. Очевидно, что число поражений дели окажется очень небольшим, если ружье будет удаляться от нее со скоростью, близкой к скорости пуль [7] .

Поэтому если даже и существует гораздо больше галактик, удаленных на расстояние, превышающее 10 миллиардов световых лет (расстояние, на котором соотношение Хаббла дает скорость удаления, равную скорости света), даже если их и бесконечно много, нам не удастся видеть их; они удаляются от нас настолько быстро, что их свет никогда не сможет достичь нас.

Вселенная, в которой расстояния между галактиками увеличиваются, ставит перед нами интересный вопрос. Пусть имеется бесконечное число галактик, рассеянных по бесконечному пространству. Но мы можем увидеть только те из них, которые удаляются от нас со скоростью, заметно меньшей скорости света. Поэтому имеется только конечное число галактик, свет которых может достичь нас.

Хотя на самом деле Вселенная и может быть бесконечной, для нас она конечна. Мы можем изучать только ту ее часть, которая посылает достигающие нас световые сигналы.

Замечательно, что астрономические приборы, которыми мы располагаем теперь, такие, как телескоп обсерватории Маунт-Паломар (рис. 7), уже способны проникать на расстояния, для которых скорость удаления равна 1/3 скорости света.

Рис. 7. Маунт-Паломарская обсерватория.

Это ненамного меньше наибольшего расстояния, на котором мы вообще еще можем увидеть какой-либо объект. Если нам удастся проникнуть во Вселенную только втрое дальше, то мы охватим всю ее видимую часть. Мы являемся свидетелями великого события в истории человечества, сравнимого с первым кругосветным путешествием Магеллана в 1520 г. Путь Магеллана охватил всю Землю, и таким образом были установлены пределы путешествий на ней. Теперь мы можем определить пределы проникновения в мировое пространство. Мы начинаем наблюдать последние объекты, которые еще можно увидеть.

Подытожим теперь то, что мы узнали о размерах объектов. Для этого пройдем по одной ступеньке всю «лестницу расстояний», начиная с наименьшего расстояния, еще воспринимаемого невооруженным глазом, и восходя к звездам.

Наименьшее расстояние, или размер, который мы можем различить, приблизительно равно одной десятой миллиметра. Это — толщина волоса. Следующая ступенька на нашей лестнице характеризует размеры нашего собственного тела, например расстояние от глаза до конца руки — кончиков пальцев, — оно в 10 000 раз больше первого, т. е. составляет около одного метра. Расстояние до ясно видимых гор на горизонте еще в 10 000 раз больше — 10 км. Следующая ступенька — диаметр Земли, она примерно в 1000 раз больше — 12 000 км. Расстояние от Земли до Солнца снова в 10 000 раз больше — 160 миллионов километров. Следующая ступенька расстояние до ближайших звезд. На этот раз ступенька больше примерно в 1000 000 раз, и мы получаем 1014 км, или 10 световых лет. Следующая — размер нашей Галактики — опять в 10 тысяч раз больше предыдущей, а именно 105 световых лет. Затем следует ступенька, которая больше только на множитель, заключенный между 10 и 100; она приводит нас к расстояниям до соседних галактик, нескольким миллионам световых лет. Последняя ступенька, получаемая умножением на 10 000,— расстояние до наиболее удаленных объектов, которые вообще еще можно увидеть, или то, что мы называем радиусом доступной Вселенной. По лучшим современным оценкам это расстояние порядка 10 миллиардов световых лет.

Теперь мы пришли к концу «лестницы расстояний». Каждый шаг приводил к большим расстояниям. В большинстве случаев мы получали возрастание в 10 000 раз. Такой шаг легко воспринимается нами; он становится наглядным, если мы вспомним, что длина руки человека в 10 000 раз больше толщины волоса, а рост человека примерно во столько же раз меньше расстояния в 10 км. Даже множитель в один миллион, который определяет расстояние до ближайшей звезды по сравнению с расстоянием от Земли до Солнца, можно сделать наглядным: расстояние Сириус — Земля настолько же больше расстояния Солнце — Земля, во сколько длина 100 м больше толщины волоса. Однако наше воображение изменяет нам, когда мы пытаемся охватить всю «лестницу расстояний». Огромные размеры всей видимой Вселенной слишком велики, чтобы представить их какими-либо земными размерами. Тем величественнее достижения человеческого разума, создавшего такие понятия и представления, которые позволили постичь колоссальные размеры Вселенной. Французский философ Блез Паскаль сказал: «Не огромность мира звезд вызывает восхищение, а человек, который измерил его».