В школе Шепли проучился всего пять классов, а потом занимался самообразованием и в конце концов поступил в Принстон. Он решил изучать астрономию просто потому, что этот предмет стоял первым пунктом в учебном плане. В своих фундаментальных трудах он показал, что Млечный Путь гораздо больше, чем считали раньше, и что Солнце находится отнюдь не в центре галактики, а в ее захолустном, ничем не примечательном уголке. В астрономии Шепли обладал непререкаемым авторитетом, поэтому его воззрения о природе туманностей имели большой вес.
В первый день нового 1925 года Хаббл опубликовал результаты своих двухлетних исследований так называемых спиральных туманностей, где он сумел выявить переменные звезды особого рода, так называемые цефеиды. В число этих туманностей входила и туманность, которую мы теперь знаем как созвездие Андромеды.
Переменные звезды цефеиды были описаны еще в 1784 году. Это звезды, чья яркость меняется с определенной периодичностью. В 1908 году в Гарвардскую обсерваторию на должность «вычислителя» была принята еще никому не известная молодая женщина по имени Генриетта Суон Ливитт («вычислителями» называли женщин, которых пускали в каталог фотопластинок с изображениями звезд различной яркости; пользоваться телескопами женщинам в те годы не разрешалось). Генриетта, дочь священника конгрегационалистской церкви, прямого потомка первых переселенцев, сделала поразительное открытие, о котором и заявила в 1912 году: она заметила, что между яркостью цефеид и периодом их вариаций существует прямая зависимость. То есть если удастся определить расстояние до какой-то цефеиды с известным периодом (а это было сделано вскоре, в 1913 году), то, измерив яркость других цефеид с таким же периодом, можно будет определить расстояние и до них! Поскольку наблюдаемая яркость звезд уменьшается пропорционально квадрату расстояния до звезды (свет распространяется равномерно по сфере, чья площадь увеличивается пропорционально квадрату расстояния, поэтому, когда свет распределяется по большей поверхности сферы, его наблюдаемая интенсивность в любой точке обратно пропорциональна площади сферы), то определение расстояния до далеких звезд всегда было важной и трудной задачей для астрономов. Открытие Ливитт произвело настоящий переворот в этой области. (Сам Хаббл, которому не досталось Нобелевской премии, часто говорил, что труды Ливитт ее заслуживают, хотя он был человеком довольно-таки эгоистичным и, вполне вероятно, утверждал так лишь потому, что его вполне могли номинировать на Нобелевскую премию за его дальнейшие работы вместе с Ливитт.) В Шведской королевской академии наук даже готовили документы, чтобы номинировать Ливитт в 1924 году, но тут стало известно, что она умерла от рака за три года до этого. Благодаря силе личности, склонности к саморекламе и таланту наблюдателя Хаббл в результате сделал из своего имени настоящий бренд, а о Генриетте Ливитт известно, увы, лишь тем, кто увлекается историей астрофизики.
Опираясь на свои измерения яркости цефеид и на соотношение периода и яркости, которое обнаружила Ливитт, Хаббл сумел окончательно доказать, что цефеиды в туманности Андромеды и в нескольких других туманностях так далеки, что не могут находиться в пределах Млечного Пути.
Выяснилось, что Андромеда – это другая островная Вселенная, другая спиральная галактика, хотя и очень похожая на нашу, одна из более чем 100 миллиардов других галактик, которые, как мы теперь знаем, существуют в наблюдаемой Вселенной. Результаты Хаббла не вызывали сомнений – настолько, что астрономическое сообщество, в том числе и Шепли, который, кстати, к этому времени уже стал директором Гарвардской обсерватории, где Ливитт сделала свое поразительное наблюдение, быстро смирилось с тем, что Млечный Путь – это далеко не весь окружающий мир. Габариты известной нам Вселенной за один миг расширились куда больше, чем за много предшествующих столетий! Более того, изменилась архитектура Вселенной – как практически и все остальные ее характеристики.
После этого сенсационного открытия Хаббл мог бы почивать на лаврах, но его интересовала дичь покрупнее – в данном случае, более крупные галактики. Измерив еще более тусклые цефеиды в еще более далеких галактиках, Хаббл смог составить карту Вселенной еще большего масштаба. При этом он открыл еще кое-что – и это оказалось даже интереснее: оказалось, что Вселенная расширяется!
Этот результат Хаббл получил из сравнения расстояний до галактик, которые он исследовал, с другим набором наблюдательных данных, полученных от американского астронома Весто Слайфера, который измерил спектры света, испускаемого этими галактиками. А чтобы разобраться, откуда взялись эти спектры и какова их природа, нам с вами придется вернуться к самым истокам современной астрономии.
* * *
Одно из важнейших открытий астрономии – то, что вещество звезд и вещество Земли по большей части одинаково. Все началось с Исаака Ньютона – как и очень многое в современной науке. В 1665 году Ньютон, тогда еще совсем молодой ученый, пропустил через призму тоненький лучик света – чтобы получить его, он полностью затемнил комнату и проделал дырочку в ставне, – и увидел, как солнечный свет разложился на знакомые всем цвета радуги. Ньютон заключил, что белый солнечный свет содержит все эти цвета, и был прав.
Прошло сто пятьдесят лет, и другой ученый более тщательно исследовал разложенный в призме свет, обнаружил, что цвета перемежаются темными полосами, и заключил, что это вызвано присутствием во внешних оболочках Солнца элементов, которые поглощают свет определенных цветов или длин волн. Вещество, создающее так называемые линии поглощения, можно отождествить, зная длины световых волн, которые, как показали лабораторные измерения, поглощаются теми или иными элементами – в том числе водородом, кислородом, железом, натрием и кальцием.
В 1868 году еще один ученый обнаружил две новые линии поглощения в желтой части солнечного спектра, которые не соответствовали никаким известным на Земле элементам. Он решил, что это, наверное, след какого-то нового элемента, который он назвал «гелий». Спустя поколение гелий нашли и на Земле.
Изучение спектров излучения от других звезд – важный инструмент, позволяющий многое узнать об их составе, температуре и эволюции. Слайфер с 1912 года наблюдал спектры света, исходящего от различных спиральных галактик, и обнаружил, что они похожи на спектры ближайших звезд, с тем лишь исключением, что все линии поглощения сдвигаются на одну и ту же длину волны. К тому времени стало понятно, что это вызвано всем известным «эффектом Допплера»: он назван в честь австрийского физика Кристиана Допплера, который в 1842 году объяснил, что волны, идущие в твою сторону из движущегося источника, растягиваются, если источник удаляется от тебя, и сжимаются, если он приближается. С проявлением этого эффекта мы все прекрасно знакомы, и мне оно всегда напоминает карикатуру Сидни Харриса: два ковбоя в прерии глядят на проезжающий вдали поезд, и один говорит другому: «Ах, как я люблю слушать этот одинокий гудок паровоза, когда его частота меняется из-за эффекта Допплера!» И в самом деле, и гудок поезда, и сирена «Скорой Помощи» звучит выше, когда поезд или машина едут в твою сторону, и ниже, когда они удаляются.
Оказывается, то же самое происходит не только со звуковыми волнами, но и со световыми, только по несколько другим причинам. Световые волны из удаляющегося источника – причем он может удаляться как из-за локального движения во времени, так и из-за расширения пространства, разделяющего источник и наблюдателя, – растягиваются и поэтому кажутся краснее, поскольку красный цвет расположен на длинноволновом краю видимого спектра, а волны из приближающегося источника сжимаются и кажутся синее.
В 1912 году Слайфер заметил, что линии поглощения от света, исходящего от спиральных галактик, почти все систематически сдвинуты в сторону более длинных волн (но некоторые галактики, в том числе Андромеда, испускают свет, сдвинутый в сторону более коротких волн). И сделал совершенно правильный вывод, что большинство этих объектов удаляются от нас, причем со значительной скоростью.
Хаббл сумел сравнить свои данные о расстояниях до этих спиральных галактик, как мы их теперь называем, с данными Слайфера о скоростях, с которыми они разбегаются. В 1929 году, при содействии сотрудника обсерватории Маунт-Вильсон Милтона Хьюмасона (наделенного такими инженерными талантами, что его приняли на работу в обсерваторию, хотя у него не было даже аттестата о среднем образовании), он объявил об открытии примечательного эмпирического соотношения, которое теперь носит название «закон Хаббла»: существует линейная зависимость между скоростью удаления галактики и расстоянием до нее. То есть чем дальше от нас галактики, тем быстрее они разбегаются!
