Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки - Карл Саббаг

Поскольку звезды отличаются друг от друга по яркости, то, прежде чем определить расстояние до каждой из них, нужно установить, насколько они ярки. Допустим, мы каким-то способом узнали, что звезда Альфа находится от нас в четырех световых годах. И, предположим, нам известно, что другая звезда, Бета, в абсолютных величинах в два раза тусклее Альфы. Иными словами, если бы звезды располагались от нас на одном расстоянии, то Альфа казалась бы в два раза ярче. Теперь представим, что Бета в действительности кажется в шестнадцать раз тусклее Альфы. Применив закон обратных квадратов, мы вычислим, что при одинаковой яркости Бета находилась бы от нас в четыре раза дальше Альфы. Но Бета в два раза тусклее Альфы, значит, на самом деле она ближе к нам и всего вдвое дальше, чем Альфа. Это я все к тому, что, если бы мы знали, насколько ярка та или иная звезда, мы могли бы понять, насколько она далеко.

В 1904 году Генриетта Левитт работала в обсерватории Гарвардского колледжа и получала 30 центов в час. Она трудилась в отделе фотометрии, проверяя сотни фотографических пластинок с целью оценить яркость звезд. Эта работа требовала зоркости, хорошей тренированной памяти, усидчивости и умения не раздражаться из-за монотонности процесса.

Хотя большинство звезд обладают неизменной звездной величиной — то есть яркостью, видимой с Земли, — есть также немало звезд с колеблющейся яркостью, так называемых переменных звезд. Генриетте Левитт, при ее способности запоминать увиденное с первого взгляда, достаточно было взглянуть на фотопластинку с изображением, полученным прошлой ночью, чтобы заметить, что, скажем, одна из звезд изменила яркость по сравнению со снимком, сделанным неделей раньше. Так она выявила более двух тысяч переменных звезд — то есть около половины от общего количества, известного на тот момент. Это было серьезное достижение, однако главное открытие Генриетты касалось одного из классов переменных звезд — цефеид, названных так, потому что вариабельность их светимости совпадает с вариабельностью звезды в созвездии Цефея.

Левитт заметила, что яркость этих звезд меняется с четкой периодичностью — чем выше их абсолютная звездная величина, тем длиннее цикл изменения светимости. Так, цефеида, чья яркость в 800 раз превышает яркость Солнца, проходит путь от максимума до минимума яркости и обратно за три дня (это и есть ее период), а цефеиде, которая в десять тысяч раз ярче Солнца, на это требуется тридцать дней. Итак, измерив цикл изменения светимости цефеиды, астрономы получили возможность вычислить ее абсолютную звездную величину, а исходя из этих данных, уже не составляло труда определить и расстояние.

Открытие Левитт дало ученым новые возможности оценить масштабы Вселенной. Используя мощные телескопы, астрономы открыли множество звезд со сходным типом изменения светимости в туманностях и галактиках, которые раньше считались частью Млечного Пути. Но, вычислив по циклам светимости абсолютную звездную величину этих звезд, ученые пришли к выводу, что они никак не могут находиться в пределах нашей галактики, иначе эти далекие солнца казались бы с Земли куда ярче. Тот факт, что они выглядели намного тусклее, чем могли бы, и при этом обладали большой абсолютной звездной величиной, свидетельствовал только об одном — они находились от нас намного дальше, чем звезды нашей Галактики.

Наша Галактика имеет протяженность 100 000 световых лет, то есть, чтобы пересечь ее из конца в конец лучу света понадобится 100 000 лет (см. главу «Сколько длится световой год?»). А первая галактика, расстояние до которой было измерено исходя из данных об имеющихся в ней цефеидах, находится от нас в двух с половиной миллионах световых лет. Таким образом, размеры разведанной нами Вселенной в одночасье увеличились в 25 раз!

Для человека, внесшего столь заметный вклад в развитие астрономии, Генриетта Левитт, по мнению многих, не получила того признания в научных кругах, которого заслуживала. В те времена, когда она работала в Гарварде, астрономия оставалась сугубо мужским занятием, и, поскольку Левитт не была дипломированным астрономом (а может, и из-за ее принадлежности к прекрасному полу), ей, при всей ее страстной увлеченности астрономией, так и не разрешили пользоваться профессиональным телескопом. Другая женщина-астроном, Сесилия Пейн-Гапошкина (1900–1979), говорила, что не дать Левитт использовать телескоп было «грубой ошибкой, обрекшей блестящего ученого на совершенно не подходящий для нее неквалифицированный труд и, возможно, задержавшей исследование переменных звезд на несколько десятилетий».

После смерти Левитт ее вклад в науку был наконец оценен по достоинству. Ее имя было присвоено кратеру диаметром 65 километров, расположенному на обратной стороне Луны.

Головокружение от нейтронов

Бывает, так начитаешься научных публикаций, что аж голова кругом идет. Новейшие исследования в физике — и в особенности в астрономии и космологии — имеют дело с такими вещами, о которых ученые рассуждают как о чем-то само собой разумеющемся, но человеку неподготовленному все это может показаться фантастикой.

Я сейчас не имею в виду настоящую астрономическую экзотику: черные дыры, червоточины[7], мультивселенную, раздувание Вселенной и прочее. Нет, даже куда более «обыденные» космические явления, описанные словами, для понимания которых не требуется никакого специального образования, часто поражают воображение.

Возьмем, к примеру, Крабовидную туманность. Это расплывчатое пятно, которое видно даже в плохонький телескоп, являет собой останки звезды, по данным исследователей взорвавшейся в 1054 году нашей эры. Сейчас (или, точнее, шесть тысяч лет назад — именно столько времени требуется свету, чтобы добраться из Крабовидной туманности до Земли) большая часть вещества погибшей звезды разлетается прочь от центра со скоростью около 1500 километров в секунду, а диаметр туманности достигает примерно 11 световых лет (100 000 000 000 000 километров). Но поразительно не это. Огромные размеры и расстояния я уж как-нибудь в состоянии переварить. Проблема в той штуке, которая находится в центре Крабовидной туманности.

А находится там то, что осталось от взорвавшейся звезды, — так называемая нейтронная звезда. Ее диаметр — примерно 20 километров. Это поперечник Лондона от пригородов и до пригородов или длина Манхэттена от его южной оконечности и до Бронкса.

Означенная звезда, представляющая собой сферу, «весит» примерно в два раза больше Солнца. А масса Солнца, в свою очередь, в 330 000 раз больше массы Земли. Получается, мы должны представить себе сферу размером с Лондон или Манхэттен, но по «весу» в сотни тысяч раз превосходящую нашу родную планету.

И это еще не все. Оказывается, эта небесная сфера вращается, причем довольно быстро. Только вдумайтесь: нейтронная звезда в сердце Крабовидной туманности совершает 30 полных оборотов в секунду. Если бы вы стояли, например, в Ричмонд-парке[8], а рядом вращалась поверхность нейтронной звезды, посаженной на место британской столицы, то эта поверхность неслась бы мимо вас со скоростью шесть с половиной миллионов километров в час. (Можете отнестись к этому факту как к парадоксу Ферми[9] — см. главу «Сколько в Чикаго фортепианных настройщиков?» — и поразмыслить над ним на досуге.) Это, разумеется, намного меньше скорости света (около миллиарда километров в час), но тоже весьма внушительная скорость, особенно для вращающегося объекта с такой массой.

Конечно, в действительности, если бы вас угораздило оказаться рядом с поверхностью этой нейтронной звезды и вы смогли бы выдержать исходящие от нее жар и рентгеновское излучение, вас втянуло бы силой тяжести в центр звезды, а каждую молекулу вашего тела разорвало бы на составляющие ее атомы. К счастью, вы не успели бы этого почувствовать, поскольку все произошло бы так быстро, что болевой сигнал не продвинулся бы по нервным волокнам и на миллиметр.

«Мы — звездная пыль»

Американская певица Джони Митчелл в свое время написала песню «Мы — звездная пыль», и это название, пожалуй, можно было бы счесть просто красивой метафорой, наподобие «Мы построим лестницу в рай»[10] или «Поймай упавшую звезду»[11], если бы не тот факт, что Митчелл также пела об «углероде возрастом в миллиард лет», давая понять, что знает, о чем говорит.

Химические элементы, образующие наше тело, в том числе железо в крови и кальций в составе костей, за одним-единственным исключением возникли совсем в другом теле — в бушующем теле звезды. А исключение — это водород, самый распространенный элемент во Вселенной, который запустил процесс формирования всех звезд и до сих пор подпитывает ближайшую к нам звезду — наше Солнце. Водород — простой по строению элемент; представьте себе ядро-протон, вокруг которого по орбите вращается другая частица — электрон, хотя современным ученым такая модель видится чересчур упрощенной. Водород — своего рода кирпичик, из которого строятся все остальные химические вещества, обладающие бо́льшими количествами ядерных частиц и большими количествами электронов.