λ =λ0(1 + v/c),
где v — скорость удаления, а с — скорость света. Если v положительна, λ > λ0, поэтому если полоса была желтой, смещение будет к красному цвету. Если v отрицательная, смещение будет к синему цвету. «Покраснение» используется как эквивалент смещения к большей длине волны.
ВОПРОСЫ НОМЕНКЛАТУРЫ
В начале XX века не было различия между крупными объектами (за исключением планет), принадлежащими нашей и другим галактикам. И те, и другие назывались туманностями. Когда возникла необходимость их различать, Хаббл использовал термин «галактические туманности» и «внегалактические туманности». Ни разу за свою жизнь он не использовал термин «галактика», за исключением случаев, когда говорил о нашей галактике. Видимо, это было связано с враждой с Шепли, который настаивал именно на этом термине. Однако, поскольку эта книга посвящена Хабблу, а он использовал выражение «внегалактические туманности» или просто «туманности» (так как галактические туманности очень скоро перестали его интересовать), мы также будем пользоваться его терминологией, понимая, что «(внегалактическая) туманность» равнозначна современному понятию «галактика». Сегодня мы используем термин «галактика» для обозначения внегалактических туманностей, а термин «туманность» понимается как галактическая туманность. В этом словоупотреблении есть всего одно исключение: мы продолжаем говорить Туманность Андромеды, хотя, согласно описанному критерию, должны использовать выражение «галактика Андромеды». Наша галактика — одна из миллиарда других. Мы называем ее «нашей галактикой», или Млечным Путем: это полоса молочного цвета (см. рисунок), которая хорошо видна на ночном небе. Оба слова пишутся с заглавной буквы, поскольку они являются названием нашей галактики.
Художественное представление Млечного Пути.
Этот термин используется и в случае, когда мы находимся дальше красного цвета, в инфракрасном спектре, в радиоволнах. Также под термином «эффект посинения» понимается смещение к более короткой длине волны, даже когда мы выходим за границы синего цвета, двигаясь к ультрафиолетовому, рентгеновскому или γ излучению.
В астрофизике часто используется величина z, красное смещение (по-английски redshift), которое равно
z = (λ - λ0)/λ0.
То есть это перемещение линии в релятивистской концепции.
В случае красного смещения имеет место эффект Доплера, и мы приходим к выражению
z =v/с
В действительности в астрофизике измеряется красное смещение, z. Если оно интерпретируется как эффект Доплера, мы можем использовать эту формулу для вычисления скорости удаления (если z > 0) или приближения (если z < 0). Интерпретация, согласно которой z возникает из-за эффекта Доплера, очень проста. Мы увидим далее, что Хаббл не захотел высказывать своего мнения по данному вопросу, соглашаясь с мыслью о том, что возможны и другие причины покраснения. Мы вернемся к этому, но сейчас рассмотрим историческое развитие событий.
После обнаружения в Мюнхене Йозефом фон Фраунгофером (1787-1826) спектральных линий в солнечном излучении, астрофизика начала собирать точные данные в этой области. Скоро линии Фраунгофера были обнаружены в излучении звезд, и это позволило измерить их скорость, которая составила порядка 20-40 км/с. Следующим шагом было измерение скоростей туманностей. Были известны туманности, скорость которых примерно равна звездной; позже выяснилось, что они относятся к Млечному Пути. Затем настало время для измерения скоростей туманностей, имеющих вид вихрей; сегодня мы называем их спиральными галактиками.
Первой выбранной галактикой стала большая Туманность Андромеды (М31), имеющая наибольший угловой размер; ее можно наблюдать невооруженным глазом в Северном полушарии. Полученный уже в 1912 году результат был удивительным: Андромеда приближается к нам со скоростью 300 км/с. Ни один астрофизический объект не имел такой скорости. Но Слайфер продолжал измерять другие галактики — их было около 40. Полученные результаты удивляли еще больше. Во-первых, скорости росли, превышая величины, равные 1000 км/с, а во-вторых, Андромеда оказалась исключением, так как все остальные галактики удалялись. Впервые можно было говорить о расширении Вселенной.
ВЕСТО СЛАЙФЕР
Американский астроном Весто Мелвин Слайфер (1875-1969) родился в Малберри, Индиана. Он получил работу в обсерватории Флагстафф (Аризона), основанной миллионером Персивалем Лоуэллом, а в 1916 году стал ее директором. Лоуэлл был одним из открывателей и исследователей марсианских каналов (которых, впрочем, никогда не существовало). Он интересовался Солнечной системой и одним из первых понял, что будущее астрономии — за спектрометрией. Хотя телескоп Лоуэлла был довольно скромных размеров, он приобрел прекрасный спектрометр и предложил Слайферу воспользоваться им. Лоуэлл думал, что галактика Андромеды — еще одна солнечная система в стадии формирования, поэтому решил измерять скорости галактик, пользуясь спектральными линиями. Слайфер увидел, что почти все туманности удаляются с высокими скоростями, более 1000 км/с, и такая стремительность никогда раньше не была описана применительно к астрономическим объектам. Поэтому именно ему принадлежит открытие факта расширения Вселенной. Когда Слайфер представил результаты своих исследований, при этом присутствовал молодой Хаббл, тотчас же решивший, чем именно он будет заниматься.
Весто Слайфер измерил скорости спиральных галактик и первым наблюдал расширение Вселенной.
Слайфер прославился почти сразу после своего открытия. Датский астроном Эйнар Герцшпрунг( 1873-1967) из Потсдамской обсерватории (Германия), сегодня известный как один из авторов диаграммы классификации звезд Герцшпрунга — Рассела (второй автор — Генри Норрис Рассел), быстро оценил важность открытия. Для него такие высокие скорости означали, что спиральные туманности не могут принадлежать системе Млечного Пути. Даже ничего не зная о расстояниях, он понял, что скорости такого порядка нехарактерны для звезд, и было непросто согласиться с тем, что они гравитационно связаны с нашей туманностью. Герцшпрунг говорил: «Они должны составлять отдельные острова во Вселенной, среди которых Млечный Путь — один из бесчисленных островов». Наконец давно возникшая мысль об островных вселенных подтвердилась с помощью наблюдений.
Однако некоторые скептически настроенные исследователи сомневались в достоверности экспериментальных данных. Например, Джордж Ричи, работавший с большим 60-дюймовым (1,52 м) телескопом в Маунт-Вилсоне, с помощью фотопластинок спиральных галактик установил, что их масса не может быть аналогична массе Млечного Пути, поэтому он отвергал идею островных вселенных. Однако догадку Герцшпрунга поддерживал и Слайфер.
ДИССЕРТАЦИЯ ХАББЛА
После сенсационного открытия Слайфера, установившего, что все туманности разлетаются с огромной скоростью, Хаббл начал работать с большим телескопом, который, однако, не был в то время самым большим. Это был 40-дюймовый (1,02 м) рефрактор, большой Йеркский телескоп (см. фотографию). Миллионер Чарльз Йеркс подарил это оборудование Чикагскому университету и организовал его установку в обсерватории на берегу озера Женева, где в то время располагались еще не электрифицированные деревушки. Хаббл знал, что наступило время изучения туманностей, и забросил все остальные работы, связанные с Солнцем. Йеркский телескоп был не очень популярен, многие астрономы перебрались в Маунт- Вилсон, в Калифорнию, к большому 60-дюймовому телескопу. Среди оставивших Йеркс был и Уолтер Адамс (1876-1956), сыгравший в нашей истории важную роль. Но даже когда Хаббл переехал в Маунт-Вилсон, он предпочитал телескоп более скромных размеров, всего 24 дюйма (61 см), о котором практически забыли все остальные исследователи. Йеркские астрономы — директор Эдвин Фрост, Эдвард Барнард, имя которого носит одна из ближайших звезд, и некоторые другие — предлагали Хабблу заняться фотоисследованием туманностей.
Большой телескоп в Йорке — первый, на котором работал Хаббл. Фотография примерно 1901 года.
Его выбор пал на NGC 2261. С 1915 по 1916 год ученый сделал множество фотопластинок. Он сравнил свои результаты с теми, что были получены восемь лет назад другими астрономами, и пришел к выводу, что форма туманности изменилась. Если за такое короткое время произошли видимые изменения, значит туманность находится не очень далеко. Казалось, это свидетельствует о том, что перед далекими спиральными туманностями Слайфера находятся и другие, более близкие, входящие в состав Млечного Пути. Хаббл опубликовал свои результаты в Astrophysical Journal Чикагского университета (сегодня это одно из самых престижных изданий в области астрофизики). Близость туманности подтверждало и то, что Хаббл мог наблюдать собственно движения (то есть перемещение перпендикулярно линии наблюдения) некоторых ее звезд.
