Красное смещение и переменные звезды

Красное смещение и переменные звезды

Однако «элегантная концепция» островов вселенной не была готова занять наиболее видное место. Выдающийся британский астрофизик Джеймс Джинс разработал модель эволюции солнечных систем, которая выглядела поразительно похожей на то, что, как казалось астрономам, они видели на примере туманностей. В эту модель входили звезды, проходившие вблизи туманного облака и придававшие частицам спиральные формы, из которых в итоге возникали планеты. В обсерватории Лоуэлла в Аризоне колоритный и влиятельный астроном Персиваль Лоуэлл всем своим немалым авторитетом встал на защиту небулярной гипотезы и был непоколебимо убежден, что размытые пятна представляют собой формирующиеся солнечные системы. В подкрепление этой убежденности он поручил своему молодому подчиненному Весто Слайферу выполнить спектральный анализ туманностей, чтобы выявить характерные для планет линии, которые, как он твердо ожидал, обнаружатся в спектре размытых структур наряду с лучевой скоростью – быстротой приближения туманностей к нам или удаления от нас. Эти последние показатели опровергли теорию Лоуэлла.

Во время ночного марафона в сентябре 1912 года Слайфер на протяжении 13,5 часов снимал Туманность Андромеды. На спектрографической пластинке обнаружилось смещение линий к синему краю спектра.[374] В настоящее время астрономам известно, что смещение линий к синему концу спектра означает, что объект движется к нам, а к красному концу – что объект удаляется от нас. Это так называемый эффект Доплера, открытый австрийским физиком Кристианом Доплером, который заметил, что световые волны, движущиеся к наблюдателю, будут сплющенными и, следовательно, смещенными к более высокочастотному синему краю спектра, а волны, движущиеся от наблюдателя, оказываются растянутыми и, следовательно, смещенными к более низкочастотному красному краю спектра. Для Туманности Андромеды смещение оказалось синим. Действительно синим, порядка трехсот километров в секунду по подсчетам Слайфера, и это означало, что с астрономической точки зрения Андромеда находится далеко за пределами диапазона когда-либо измеренных перемещений отдельных звезд. Как мог объект, перемещающийся настолько быстро, находиться в пределах Млечного Пути?

Дополнительные исследования спектральных смещений подтвердили первоначальные результаты Слайфера. Туманность М81 двигалась со скоростью тысяча километров в секунду, втрое больше скорости Андромеды, причем удалялась от нас. К 1914 году Слайфер определил скорости более чем дюжины туманностей, находящихся в пределах, определенных для Андромеды и М81, примерно в 25 раз быстрее средней звездной скорости и преимущественно удаляющихся от нас. Благодаря этим скоростям и определенным размерам Млечного Пути многим астрономам стало ясно, что упомянутые туманности никак не могут находиться в пределах Млечного Пути. Теория островов вселенной получила развитие, в почву упали семена развивающейся теории вселенной.

Для того чтобы завершить этот спор, требовалось достоверное измерение расстояния, проведенное в начале ХХ века Генриеттой Суон Ливитт, которая начала карьеру как волонтер и дослужилась до «вычислителя»: делала расчеты для астрономов, которые все до единого были мужчинами. В конце концов она оставила заметный след в астрономии, изучая переменные звезды цефеиды, которые стали стандартными объектами для измерения расстояний, замеченными Хабблом на фотопластинке в 1923 году. Цефеиды, названные в честь звезды в созвездии Цефея, обладают блеском, который меняется в течение дней, недель или месяцев, причем весьма предсказуемым образом: чем ярче блеск переменной звезды, тем дольше этот период. Поскольку Ливитт обнаружила цефеиды в Малом Магеллановом Облаке (светящейся дымке в небе над Южным полушарием, впервые замеченной Фернаном Магелланом во время кругосветного путешествия), это означало, что все звезды в пределах этой галактики-спутника находятся на одинаковом расстоянии от нас. Их периодичность – непосредственное измерение их реальной светимости, а не следствие меняющихся расстояний.

Переменные звезды цефеиды стали «стандартной свечой» при измерении световой дальности. Если у вас есть свеча определенного типа, пламя которой всегда имеет одинаковые размер и яркость, и вы обнаружили свечу с пламенем в половину, в четверть или в одну восьмую яркости стандартной свечи, то можете с уверенностью утверждать, что эта свеча находится в четыре, в восемь или в шестнадцать раз дальше. Когда расстояние до цефеид научились определять с помощью таких проверенных методов, как параллакс (степень смещения фоновых звезд за звездами-целями при сравнении изображений, полученных с одной стороны земной орбиты, с другими, сделанными с другой стороны шесть месяцев спустя), тогда обнаружение в туманностях цефеид, в Х раз более тусклых, стало означать, что эти туманности находятся в Х раз дальше. Если цефеиды удастся найти внутри туманностей на расстояниях, значительно превышающих размеры Млечного Пути, тогда подтвердится предположение, что эти звезды расположены в туманностях далеко за пределами нашей галактики, следовательно, теория островов вселенной верна.