В начале XX века для большинства астрономов Вселенная ограничивалась Млечным Путем — единой галактикой в который входили все звезды, туманности и другие видимые объекты ночного неба. Перемены начались с открытием Эдвином Хабблом в ночь на 6 октября одной «подмигивающей» звезды. «Хайтек» рассказывает, как одна фотография ночного неба сто лет назад изменила представления о космосе.
Даже школьники в наши дни знают, что Млечный Путь — это одна галактика, затерянная среди бесконечного множества других, разбросанных по бескрайним просторам Вселенной. В это сложно поверить, но всего 100 лет назад даже ближайшие к нам крупные галактики Местной группы — Андромеда и Треугольник — считались туманностями, расположенными внутри Млечного Пути.
В ночь с 5 на 6 октября 1923 года американский астроном Эдвин Хаббл впервые наблюдал цефеиду в галактике Андромеда. Эта и несколько подобных переменных пульсирующих звезд, открытых позже, помогли ученому рассчитать расстояние до «туманностей» и расширить границы Вселенной за пределы одной галактики.
Великие астрономические дебаты 1920 года
Некоторые объекты, которые, как стало понятно позже, представляют собой галактики были известны до начала XX века. Например, в каталоге Мессье — списке астрономических объектов, составленном французским астрономом Шарлем Мессье — описано 40 галактик. Правда, сам исследователь и следующее поколение астрономов называли их спиральными туманностями.
Астрономы наблюдали в ночном небе многие «спиральные туманности», в том числе, например, галактику Андромеда (M 31) или галактику Треугольника (M 33). Но их природа оставалась загадкой, а расстояния до них были неизвестны.
Природа спиральных туманностей и размеры Вселенной были предметом острых споров в начале XX столетия. В научных кругах обсуждались две противоположные теории. Классический подход определял Млечный Путь как Вселенную, в границах которой находились все спиральные туманности, а новый — рассматривал эти спирали как внешние отдельные галактики, называемые «островными вселенными».
Кульминацией этой дискуссии стал «Большой спор» — дебаты между двумя астрономами Харлоу Шепли и Гебером Кертисом, которые прошли в 1920 году в Смитсоновском институте в США.
Шепли предполагал, что звезды и туманности образуют плоскую систему диаметром 300 тыс. световых лет и толщиной 30 тыс. световых лет. В его модели шаровые скопления образуют почти сферическую систему, окружающую диск, Солнце находится на расстоянии 50 тыс. световых лет от центра Галактики, а туманности представляют собой просто объекты из пыли и газа внутри этой системы.
Кертис, напротив, считал, что Солнце находится близко к центру Галактики (популярное в то время заблуждение), а ее диаметр не превышает 30 тыс. световых лет. При этом Андромеда и другие спиральные туманности, по его версии, располагаются на огромном расстоянии от Земли и представляют собой миллиарды связанных вместе звезд, подобных Млечному Пути.
Несмотря на то, что в дебатах не было явного победителя, последующие исследования показали, что оба ученых были отчасти правы, и частично ошибались. Шепли верно описал строение Млечного Пути и существование гало с шаровыми скоплениями. Но он переоценил размеры Галактики (современная оценка диаметра — 100 тыс. световых лет) и был не прав относительно спиральных туманностей. Его оппонент правильно определил природу других галактик, но недооценил размер Млечного Пути и местоположение Солнца «на окраине».
Исследования Эдвина Хаббла
Эдвин Хаббл в 1919 году начал работать в обсерватории Маунт-Вилсон, наблюдая за ночным небом и особенно туманностью Андромеды с помощью крупнейшего телескопа того времени — телескопа Хукера. Используя прибор с 2,5-метровым зеркалом, астроном сфотографировал отдельные звезды в составе туманности, опровергнув тем самым представления Шепли, что спиральные туманности — это просто набор газа и пыли.
Одним из первых проектов Хаббла были поиск классификация новых звезд или новых — резких вспышек светимости белых карликов. В двойных звездных системах такие мертвые «останки» аккрецируют материал от звезды компаньона и, накопив достаточно вещества для ядерного синтеза, взрываются. Взрывы новых были хорошо описаны к тому времени и использовались в качестве одного из способов определения расстояний.
Но Хабблу повезло больше. В течение нескольких ночей наблюдений он обнаружил три потенциальные новые, когда утром 6 октября 1923 года взрыв «четвертой» новой (или точнее четвертое событие резкого изменения яркости звезды) произошел в том же самом месте, где был обнаружен первый.
В 1923 году астрономы уже знали, что белым карликами требуются столетия или даже тысячелетия для того, чтобы накопить достаточно материала и взорваться новой. Два близких события не могли быть такой вспышкой. Продолжив наблюдать за звездой, которую он назвал V1 — переменная 1, Хаббл пришел к выводу, что он нашел цефеиду.
Цефеиды и расстояние до Андромеды
Цефеиды — это особый класс пульсирующих переменных звезд, яркость которых изменяется с заданным периодом. Еще в конце XIX века исследователи описали подобные звезды Млечного Пути и их свойства. Яркость цефеид падает с максимальной до минимальной, а затем снова возвращается к пиковой, и эти изменения повторяются с регулярным периодом в несколько дней.
В начале XX века американский астроном Генриетта Ливитт показала, что пиковая «собственная» яркость цефеид коррелирует с периодом изменения. На основе такой зависимости и измеренного периода для конкретной цефеиды можно определить насколько ярко звезда сияет вблизи, а значит — насколько более тусклой она кажется из-за расстояния между звездой и наблюдателем.
Эдвин Хаббл использовал этот метод, чтобы на основе V1, других цефеид и новых, найденных им в «спиральной туманности», оценить расстояние до звезды и, следовательно, до Андромеды. Его оценка составил около 1 млн световых лет. Это выходило далеко за пределы «вселенной Шепли» и существенно превышало самые смелые оценки размера Млечного Пути.
9 февраля 1924 года Хаббл отправил письмо Шепли и рассказал о своем открытии и его последствиях. К письму «Хаббл» приложил данные наблюдений за цефеидой V1. По легенде, прочитав и проверив доводы Хаббла, Шепли сказал своему секретарю: «Вот письмо, которое разрушило мою вселенную».
Последствия открытия
Современные измерения показывают, что галактика Андромеды находится даже дальше, чем полагал Хаббл — примерно в 2,5 млн световых лет от Млечного Пути. Сегодня известны галактики, которые удалены от Земли на 10 и больше миллиардов световых лет, но для 1920-х годов даже расстояние, рассчитанное Хабблом, стало откровением, изменившим границы Вселенной.
Эдвин Хаббл продолжил исследования переменных звезд в других новых галактиках и рассчитал расстояние до других объектов. Существование множества отдельных галактик привело к следующему вопросу: как они располагаются в пространстве. Продолжив наблюдения, Хаббл показал, что далекие галактики удаляются друг от друга. Идея о расширении Вселенной и теория Большого взрыва — «точки», из которой они начались, стали возможны благодаря открытию 100 лет назад одной переменной звезды.
Читать далее
Акулы жили в пруду на поле для гольфа 20 лет, а затем исчезли: ученые рассказали, как это вышло
Ученые объяснили, почему пожилым людям стоит пить кофе
На обложке: участок галактики Андромеда, снятый космическим телескопом «Хаббл». Изображение: NASA, ESA, J. Dalcanton (University of Washington, USA), B. F. Williams (University of Washington, USA), L. C. Johnson (University of Washington, USA), the PHAT team, and R. Gendler.