Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

названием Млечный Путь видна по той причине, что мы живем в сплюснутом диске звезд. Он даже предположил (ну, или как минимум упомянул), что «облачные пятна», то есть некоторые туманности на небе, – это внешние системы, расположенные крайне далеко от диска. Несколько лет спустя эту идею развил философ Иммануил Кант. О концепции Райта известно главным образом именно благодаря использованию ее Кантом как идеи «островной Вселенной» – такой термин использовал философ при изложении гипотезы о том, что «спиральные туманности» – это другие, далекие галактики.

Даже в 1920-е годы еще бушевали споры об истинной природе спиральных туманностей и размерах Вселенной. «Большой спор» между Харлоу Шепли и Гебер Кертис в 1920 году – яркая иллюстрация того периода. Шепли приводил доводы в пользу того, что Млечный Путь – это и есть вся Вселенная, пространство которой пронизано звездами, газом и пылью. По его мнению, спиральные туманности были частью этой всеобъемлющей звездной системы. Кертис, в свою очередь, защищал модель островной Вселенной, где космос представлялся огромным пространством, а галактики – отдельными скоплениями звезд, разделенные гигантскими расстояниями. В сущности, именно невероятно большие расстояния между Млечным Путем и другими спиральными туманностями стали причиной скептического отношения к островной модели.

На этом широкоформатном снимке, заполненном звездами нашей Галактики, видна туманность Андромеды. Для человеческого глаза галактика Андромеда – всего лишь нечеткое пятно слабого света среди других звезд, и прежде, даже при наблюдениях с телескопом, считалось, что эта спиральная туманность и другие, ей подобные, являются частью Млечного Пути. В конце концов, Млечный Путь содержит туманные области, такие как туманность Ориона, и множество других экзотических объектов вроде шаровых скоплений; так почему же Андромеда должна быть чем-то другим? Однако когда по итогам наблюдений за цефеидами удалось определить расстояние до Андромеды и других близлежащих галактик, стало ясно, что все они – внешние системы, отделенные от нас безбрежным пространством. Это облачное пятно находится от нас примерно в миллион раз дальше, чем звезды, которые его «окружают» на небе

В конце концов, было доказано, что модель островной Вселенной верна. Теперь мы видим, что наша Галактика и в самом деле не находится в центре Вселенной: это всего лишь одно из миллиардов звездных скоплений, причем галактики разделены расстояниями, намного превышающими их размер. Но как мы поняли это эмпирически?

Основное доказательство было получено позже, в 1920-х годах, когда астрономы изучали особый тип звезды в спиральной туманности в созвездии Андромеды. Этот объект также известен как M31, поскольку он был записан под номером 31 в каталоге туманностей и звездных скоплений, составленном в XVIII веке астрономом Шарлем Мессье. В безлунную ясную ночь M31, или галактику Андромеда, можно увидеть в бинокль или даже невооруженным глазом как вытянутое пятно слабого света. Находящиеся в этой галактике пульсирующие переменные звезды – цефеиды – отличаются от большинства других звезд тем, что они пульсируют с изменением светимости, увеличиваясь примерно в два раза в течение регулярного цикла. Цефеиды названы в честь дельты Цефея – четвертой по яркости звезды в созвездии Цефея и одной из первых в своем роде, обнаруженной в XVIII веке.

Цефеиды пульсируют, потому что эти звезды расширяются и сжимаются. Непрозрачность газа в фотосфере звезды (внешних слоях газа) определяет, сколько света, генерируемого ядерным синтезом в ядре, может фактически уйти от звезды, а не отразиться от газа через газ в процессе поглощения и переиз-лучения. Непрозрачность фотосферы связана с давлением газа: во время цикла расширения и сжатия происходит систематическое изменение плотности газа, давления и, следовательно, общего количества испускаемых фотонов. То, что мы видим, – это регулярное изменение светимости цефеиды, когда она становится то ярче, то тусклее.

Типичная продолжительность цикла пульсации цефеиды чрезвычайно коротка в астрономических терминах. На самом деле эти изменения вполне можно соотносить с человеческой шкалой времени: они могут длиться от нескольких дней до нескольких недель. Если вам интересно, то поэкспериментировать можно даже с помощью небольшого телескопа, измеряя яркость цефеид от ночи к ночи и отслеживая их световые колебания. Пожалуй, в Северном полушарии проще всего наблюдать за одной из самых известных цефеид – Полярной звездой.

Не так давно было установлено, что цикл цефеиды дает очень полезную корреляцию: существует тесная связь между длиной цикла пульсации отдельной звезды (временем между пиками яркости) и ее средней светимостью. Цефеиды с более длинными периодами ярче своих «коллег» с более короткими. Это открытие сделала американский астроном Генриетта Суон Ливитт, которая опубликовала свои наблюдения за цефеидами Большого Магелланова Облака в 1912 году.

Почему соотношение «период – светимость» так полезно для нас? Если мы знаем внутреннюю яркость объекта (общее количество энергии, которое он излучает каждую секунду), то можем сравнить эти показатели с его видимой яркостью на небе (потоком, который мы измеряем с помощью телескопа) и таким образом определить, как далеко он находится. Так как наблюдаемая яркость источника падает согласно хорошо известному закону обратных квадратов, если у вас есть данные о внутренней светимости объекта, то есть об общем количестве выделяемой энергии, вы можете, основываясь на законе обратных квадратов, посчитать расстояние до них. Примерно в то же время, когда Генриетта Суон Ливитт сделала свое открытие, датский астроном Эйнар Герцшпрунг откалибровал отношение периодичности к свету, используя расстояния до цефеид в Млечном Пути, для которых он измерил параллакс, связав тем самым технику определения расстояния до цефеид с техникой измерения независимого расстояния. Точное измерение физических расстояний – одна из самых сложных проблем в астрономии, и поэтому мы называем небесные тела вроде цефеид стандартными свечами, потому что они представляют собой объекты, светимость которых хорошо откалибрована.

Эдвин Хаббл и Милтон Хьюмасон обнаружили, что цефеиды в M31 расположены на чрезвычайно большом расстоянии от нас и должны лежать далеко за пределами Млечного Пути. Открытие этих далеких цефеид стало значительным аргументом в спорах об островной Вселенной. M31, безусловно, находится за пределами Млечного Пути – и при этом на очень большом расстоянии от нашей Галактики. Если правильно настроить изображение, позволяющее уловить слабое излучение протяженного звездного диска галактики, то можно заметить, что с точки зрения размещения на небе M31 больше, чем полная Луна. На самом же деле она находится примерно в миллион раз дальше, чем ближайшая звезда. Если бы звездный диск Млечного Пути уместился на трассе кольцевой автомобильной дороги вокруг Лондона, Андромеда оказалась бы где-нибудь под Москвой. Так мы открываем для себя внегалактическую астрономию, точнее, исследования в этой сфере. Смотря на самые глубокие оптические изображения М31 и учитывая все, что