Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

— действительно ли яркость уменьшается ровно в 4 раза при удвоении расстояния,

— насколько точно вы измерили расстояние до ближайшего факела,

— действительно ли первый и последний факелы излучают одинаковое количество света (т. е. имеют одинаковую светимость).

Думаю, вы не удивитесь, узнав, что пример с факелами — прямая аналогия того, как мы определяем расстояние до многих звезд и галактик во Вселенной. От все тех же четырех пунктов, о которых мы говорили при измерении расстояния между факелами, будет зависеть и точность определения астрономических расстояний. Так как же астрономы справляются с этими пунктами?

С первым пунктом особых сложностей не возникает. Астрономы отлично умеют измерять яркость и, что не менее важно, умеют оценивать точность измерений.

Второй пункт, касающийся того, насколько меньше света излучает источник при увеличении расстояния, уже менее однозначный. Верность закономерности об удвоении расстояния и уменьшении интенсивности яркости до четверти исходной зависит от того, насколько беспрепятственно свет перемещается в пространстве. В случае с факелами мы можем представить, что из-за легкого тумана свет дальнего факела кажется слабее. Во Вселенной сходным эффектом обладает, например, космическая пыль. Если пыль ослабляет свет далекой звезды, то кажется, будто звезда находится дальше, чем на самом деле. Проблема эта однозначно заслуживает внимания, но все же сейчас нам доступны надежные способы картирования пыли, так что и этот пункт вполне подвластен контролю.

А что с третьим пунктом? (В нем говорится про измерение расстояния до ближайшего факела.) Замерить расстояние до ближайшего факела относительно просто. Но вот как быть с ближайшей звездой? Ну, например, воспользоваться методом параллакса: наблюдать, как звезда движется на небе, пока Земля обращается вокруг Солнца.

Таким образом, мы можем измерить расстояние до ближайшей звезды, используя метод параллакса. Затем найти звезду того же типа, которая расположена гораздо дальше, и, сравнивая, сколько света до нас доходит от двух звезд, мы вычислим, на каком расстоянии находится дальняя звезда.

И вот мы добрались до четвертого пункта: откуда мы знаем, что оба факела (или обе звезды) излучают одинаковое количество света? Представим, что последний факел слегка отличается и горит немного слабее первого. Тогда тусклый свет заставит нас поверить, что поместье находится дальше, чем на самом деле. Со звездами проблема становится только серьезнее: звезды бывают всевозможных светимостей. Как же тогда узнать, что обе звезды — как ближняя, так и дальняя — излучают одинаковое количество света?

Нас выручает то, что у большинства нормальных звезд температура поверхности и светимость взаимосвязаны. У больших, излучающих много света звезд, как правило, более низкая температура поверхности, чем у маленьких и излучающих меньше света. В измерении температуры поверхности звезды все относительно просто: горячие звезды излучают больше света на коротких волнах, чем холодные. Та же ситуация, что и с обычным пламенем: синее пламя горячее, чем красное, а у синего света более короткие волны, чем у красного.

Недостаток такого метода заключается в том, что соотношение между яркостью и температурой приблизительно и что ко всем видам звезд его не применить. Но если посмотреть на достаточное количество звезд, то техника для приблизительной оценки расстояний вполне рабочая. Основное условие — это, конечно, рассмотрение относительно коротких расстояний, чтобы можно было наблюдать за обычными одиночными звездами через телескоп.

Но все же подгон звезд по температуре и яркости уж слишком грубый и неточный для того, чтобы стать межгалактической измерительной лентой. Поэтому астрономы почти помешаны на поиске так называемых стандартных свечей (или стандартных источников света). Это источники света, например звезды, светимость которых нам точно известна. А еще стандартные свечи должны быть очень яркими, ведь так они будут видны, несмотря на большие расстояния, и также желательно, чтобы их легко было отличить от других звезд. Но как же найти эти стандартные свечи?

Цефеиды спешат на помощь

И вот на сцену вступает новый фантастичный класс звезд: цефеиды. На выдающиеся характеристики цефеидов впервые обратила внимание в 1908–1913 годах астроном Генриетта Ливитт (1868–1921). Цефеиды — это класс пульсирующих переменных звезд. Яркость цефеиды то увеличивается, то уменьшается в течение периода, длящегося от нескольких дней до нескольких недель, — это и называют пульсациями. Ливитт обнаружила взаимосвязь между быстротой пульсации цефеиды и ее светимостью: чем медленнее пульсация, тем сильнее светит звезда в «яркий» период. Измеряя, как быстро пульсирует цефеида, мы можем узнать, сколько света она излучает, когда светит наиболее мощно. Ну вот, у нас есть стандартная свеча! Таким образом, мы можем измерить, сколько света доходит до Земли, и вычислить расстояние до цефеиды. Кроме того, наиболее яркие цефеиды — те, что медленно пульсируют, могут сиять в десятки тысяч раз ярче Солнца, а это означает, что за такими звездами можно наблюдать, даже если они находятся за пределами Млечного Пути.

Итак, цефеиды — еще одна ступенька космической лестницы: зная расстояние между Солнцем и Землей, мы измерим расстояние до ближайших звезд, используя параллакс. И если нам удастся измерить расстояние до ближайших цефеид при помощи параллакса, то мы сможем измерить расстояние до более отдаленных цефеид, используя их как стандартные свечи.

Помимо всего прочего, именно цефеиды позволили Цвик- ки определить расстояние до галактик в скоплении Кома. А это расстояние, в свою очередь, можно использовать для определения массы ярких звезд скопления.

Несмотря на этот безупречный метод, Цвикки, как мы уже поняли, серьезно промахнулся при расчете расстояния до скопления Кома. Но почему? Все дело в том, что во времена Цвикки были раскрыты не все тайны цефеид. Существуют разные классы цефеид с разным соотношением светимости и скорости пульсаций, а до 1940-х годов об этом известно не было. Это как если бы богач разместил два разных вида факелов вдоль дороги, а вы об этом и не подозревали. Проблема с различными классами цефеид привела к тому, что практически все расстояния до объектов за пределами Млечного Пути в 1930-х годах были недооценены, а в случае Цвикки из этого последовала еще и ошибка в оценке количества темной материи в скоплении галактик.

Цефеиды и измерение расстояний занимают не последнее место в истории Цвикки, а о ступенях космической лестницы мы еще не раз вспомним в этой книге. Но давайте-ка ненадолго вернемся к заключению Цвикки: существованию темной материи.

2.6. Темная материя. Или лишь слегка темноватая?

Цвикки столкнулся с несоответствием количества светящегося вещества количеству материи, оказывающей влияние на гравитацию. Но нам-то что с того? Просто много несветящегося вещества. Чему тут удивляться? Со всех сторон нас окружают не излучающие свет предметы. Ни птицы на крыше, ни окутанные облаками скалистые горы света не излучают.

Темная материя, которую в 1933 году заметил Цвикки, — а что, если это просто-напросто чуть менее яркая обычная материя? Как вообще ему удалось рассчитать массу, опираясь на количество света в галактиках? Если десятиграммовая лампочка светит гораздо ярче валуна в десять тонн, как вообще можно использовать свет, чтобы узнать хоть что-то о количестве материи?

Но не только камни в горах на Земле не излучают свет. Посмотрим, например, на наш космический райончик, Солнечную систему. Солнце-то светит чертовски ярко, а вот Земля, другие планеты, кометы, астероиды и прочая мелочь, кружащаяся вокруг Солнца, сами по себе холодные и темные. Да и к тому же Солнце содержит 99,9 процентов общей массы Солнечной системы, так что игнорирование планет и прочих небесных тел не особо скажется на количестве вещества, по крайней мере, в нашей планетной системе.