Звезды невероятно разнообразны. Но нельзя же все их бесконечное множество изучать поштучно. Какая же тогда наука? Наука — это прежде всего общие закономерности. В поисках закономерностей и обратили люди внимание на спектры звезд.
Изучение началось с Солнца. И спектральный анализ далеких светил возник на основе наблюдений солнечного спектра. Это пробовал делать еще Фраунгофер. Но у великого оптика никогда не было достаточно времени на серьезную теоретическую работу. Да и знания его заставляли желать лучшего.
Истинное исследование звездных спектров началось после опубликования работ двух профессоров Гейдельбергского университета — Г. Кирхгофа и Р. Бунзена. Это было замечательное содружество. Кирхгоф — великолепный теоретик, обладавший прекрасной научной интуицией; Бунзен — один из наиболее блестящих экспериментаторов своего времени. Они заложили основы научного спектрального анализа и первыми применили его для строгого исследования атмосферы Солнца.
Спектроскописты различают три вида спектров излучения: непрерывные, представляющие собой радужную полоску всех цветов, затем линейчатые и полосатые спектры, состоящие из ярких цветных линий, или полос, на темном фоне. Кроме того, существуют еще спектры поглощения, представляющие собой картину обратную — темные линии, или полосы, на фоне непрерывного спектра.
Кирхгоф так сформулировал законы спектрального анализа: непрерывный спектр дают только раскаленные твердые или жидкие тела. Линейчатые и полосатые спектры излучения — светящийся газ при низком давлении и высокой температуре или пар. Спектр поглощения получается в том случае, когда перед источником, дающим непрерывный спектр, имеется слой более холодных газов, или паров, поглощающих как раз те лучи, которые сами способны испускать в раскаленном состоянии. При этом линии каждого химического элемента занимают в спектре строго определенные положения.
За сто лет своего существования спектральный анализ превратился в мощное оружие исследования не только химического состава, но и физического состояния раскаленных тел. Потому что нейтральные атомы и молекулы дают спектры, отличные от тех же атомов и молекул в ионизированном состоянии.
В общем с самого начала спектры будто приглашали астрономов заняться их сравнением. «Так ли разнообразен состав звезд, насколько сами они многочисленны?» — писал итальянский астроном Анджело Секки в 1886 году.
Работы Кирхгофа и Бунзена немедленно привлекли к себе внимание ученых всего мира. Всем ведущим астрономам возможности нового метода казались поистине безграничными.
Но действительные успехи в исследовании звездных спектров стали возможны значительно позже, после появления атомной теории, разработанной Нильсом Бором, и квантовой гипотезы Макса Планка. Лишь после этого спектры стали настоящими «паспортами звезд».
К 1924 году установилась спектральная последовательность, которой астрономы придерживаются в наше время. Звезды разделились на 10 классов. Причем каждый класс имеет для большей точности еще 10 ступеней — подклассов. Класс обозначается буквой, подкласс — цифрой от 0 до 9. Получается лесенка из 100 ступенек.
Классы О, В, A, F, G, К, М — основные. Классы R, N и S — дополнительные, объединяющие сравнительно небольшое количество холодных звезд. В их спектрах заметны яркие полосы монохроматического света, излучаемого молекулами окисей металлов, углерода и циана. Это классы умирающих светил. Они светятся слабо; может быть, среди них есть и вовсе несветящиеся — черные, недоступные оптическим телескопам. Существует предположение, что таких несветящихся звезд во вселенной довольно много, хотя открыть их и тем подтвердить гипотезу пока что никому не удалось.
Спектральные классы дали возможность классифицировать звезды по температуре. Красным цветом светятся наиболее холодные звезды. Чем температура выше, тем звезды яростнее, белее. Хоть это и не вызывает сомнений, автор все-таки хочет напомнить, что и у нас, на Земле, раскаленный добела гвоздь горячее гвоздя, нагретого до красного каления.
6. Астроном, не верь глазам своим!
Однажды известный всему миру физик был остановлен полицейским за то, что въехал под красный свет светофора. Попавшемуся на нарушении свойственно оправдываться.
— Видите ли, сержант, я ехал настолько быстро, что красный свет показался мне зеленым.
Научный авторитет ученого не позволял сомневаться в правдивости его слов. Тем более что полицейский физики не знал.
— Что ж, сэр, тогда я вас оштрафую за превышение скорости. — И выписал квитанцию.
Анекдот? Конечно! Но хороший анекдот.
Христиан Допплер не знал анекдота об известном физике XX века. У Допплера не было и автомобиля. Австрийский ученый работал в 1842 году в Пражском университете и ездил в экипаже, влекомом одной лошадиной силой. И все-таки это не помешало ему (если не помогло) задуматься над вопросом, а не изменится ли действительно цвет света в зависимости от скорости движения источника или наблюдателя.
Но сначала небольшое напоминание: плавали ли вы на лодке против ветра? Если да, то наверняка замечали, как часто бьют волны по носу вашей посудины. Но стоило вам повернуться к ветру кормой и подналечь на весла, как ход лодки становится куда более плавным. Волны шлепали по корме значительно реже.
Ну-ка, поразмыслите. К чему ведет аналогия? Свет — электромагнитные колебания, распространяющиеся со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Так считаем мы. Допплер был убежден, что свет — механические колебания эфира, распространяющиеся с той же скоростью. Однако бог с ней, с разницей в степенях истинности! Сейчас они не так существенны. Важнее другое: каждому цвету соответствует своя частота колебаний. Зеленому — большая. Красному — меньшая. Но вот мы устремляемся навстречу красному лучу с бешеной субсветовой скоростью. Глаз, как нос лодки, встречает участившиеся световые волны. И чем быстрее мы движемся, тем чаще встречные колебания. Значит, красный свет должен изменить свою частоту, а следовательно, и цвет. Красный луч зеленеет.
Между прочим, попробуйте сами рассчитать, какой должна быть скорость вашего движения, чтобы красный луч света приобрел отчетливый зеленый оттенок. Результат получится настолько любопытным, что не жалко труда.
Точно так же, удаляясь от источника зеленого света, мы при достижении определенной скорости заметим его покраснение.
Великолепная догадка! Но сколько коварства оказалось в ней! Допплер был не только математиком и физиком, конечно, он был и астрономом. А для астрономии этот эффект мог оказать неоценимую услугу. Подумайте, ведь по смещению спектра какой-нибудь звезды можно было запросто судить, неподвижна эта звезда по отношению к нам, или улетает прочь, или, наоборот, стремится налететь на нас.
Почтенному мэтру не повезло. Пытаясь объяснить различия в цветах двойных звезд на основании своего предположения, он потерпел фиаско.
Шесть лет спустя француз Ипполит Луи Физо — двадцатисемилетний физик и астроном, в будущем член Парижской академии наук, — дополнил Допплера.
«Красные лучи, — рассуждал он, — конечно, еще больше покраснеют, если удирать от них, и превратятся в инфракрасное, невидимое, тепловое излучение. В этом сомнений нет. Но зато на смену им придут зеленые и голубые, ставшие красными. А на смену голубым и фиолетовым придут в прошлом невидимые ультрафиолетовые. Получается, что весь непрерывный спектр останется как бы неизменным? Значит, Допплер ошибается. Но, с другой стороны, его рассуждения безупречны. Как же все-таки обнаружить смещение спектра?..»
Проблема казалась настолько безвыходной, что молодой ученый даже испугался, когда в голову ему пришла идея, простая и замечательная. Спектр, конечно, не изменится, хоть и сместится, но вместе с ним сместятся и темные линии поглощения! Вот оно! Сравнив спектр движущегося источника со спектром неподвижного, по смещению темных линий можно судить не только о направлении полета источника, но и о его скорости.
23 декабря 1848 года Физо прочел свой доклад на заседании «бессмертных» — так зовутся французские академики, избираемые навечно. Его дополнение было признано академиками настолько существенным, что с тех пор французы стали называть явление Допплера «эффектом Допплера — Физо».
Живи Допплер в XX столетии, в ошибке его никто бы не упрекнул. Американский астроном Вильям Баум восстановил доброе имя первооткрывателя. В обсерватории Маунт-Вильсон Баум сравнил спектры далеких, быстро удаляющихся галактик с неподвижными спектрами и обнаружил, что, хотя видимой разницы в них и не заметно, максимум кривой распределения энергии в спектре удаляющегося объекта сползает к красному концу.
Но это исследование XX века. Сто лет назад о спектрах галактик еще не задумывались. А звезды, принадлежащие к Млечному Пути, движутся относительно Солнца со сравнительно малыми скоростями (не более нескольких сот километров в секунду). При таких «черепашьих» темпах заметить смещение кривой распределения энергии просто невозможно. Так и остался в истории науки эффект Христиана Допплера с поправкой Ипполита Физо. Но чтобы идеи Допплера — Физо получили права гражданства, их нужно было подтвердить опытом. А это-то как раз ни у кого и никак не получалось.
В XIX веке на первое место среди астрономических обсерваторий мира выходит Пулково — российская обсерватория. Точность, тщательность наблюдений, абсолютная достоверность результатов — вот качества, сопровождавшие все работы, проводившиеся в Пулковской обсерватории.
В 1879 году директор обсерватории при Московском университете профессор Федор Александрович Бредихин с удовольствием пожимал руку своему новому коллеге. Это был двадцатитрехлетний выпускник университета Аристарх Белопольский. Бредихин давно наблюдал за талантливым студентом, трудолюбию и золотым рукам которого удивлялись все окружающие. По окончании курса молодой человек остался при университете для подготовки к званию профессора астрономии. Ему было предложено вначале место сверхштатного ассистента при обсерватории. Белопольский великолепно зарекомендовал себя на работе. Он ремонтировал приборы и строил новые. Вслед за своим учителем Витольдом Карловичем Цесарским он освоил применение новой тогда фотографии для астрономических наблюдений Солнца. И скоро защитил магистерскую диссертацию.
Не довольствуясь теоретическим доказательством принципа Допплера для наблюдений лучей разбегающихся звезд, молодой астроном «заболевает» идеей доказать справедливость эффекта лабораторным путем. Такой опыт был нужен. Для него давно пришло время, но требовалось на Земле заставить либо источник, либо наблюдателя двигаться с субсветовой скоростью. Задача абсолютно невыполнимая. Даже снаряд из ствола орудия вылетал в те годы, делая не более полутора километров в секунду, то есть в 200 тысяч раз меньше того, что требовалось. Да и лавры барона Мюнхгаузена, летавшего на ядре, исследователей не привлекали. И все-таки опыт должен был быть поставлен.
В 1888 году Аристарх Аполлонович Белопольский получает приглашение перейти в Пулковскую обсерваторию на должность адъюнкта. Рассказывают, что, зайдя однажды в парикмахерскую на Невском проспекте, он случайно встал между двумя зеркалами и увидел свое изображение бесконечно удаляющимся в результате многократного отражения. Вряд ли обратил бы он внимание на это, не будь его мозг занят проблемой измерения допплеровского смещения. А тут мысль словно озарилась вспышкой прозрения. Далеко впереди забрезжила идея.
История не сохранила сведений, удалось ли ученому побриться. Зато точно известно, что в тот же день дома он поставил на стол друг против друга два зеркала. Между ними поместил зажженную свечу. И вот изображение пламени дробится, уходит в глубину. Белопольский раздвигает зеркала, пламя тоже удаляется. Причем дальнее изображение удаляется быстрее ближнего. Так, солнечный зайчик, отраженный на стену противоположного дома, способен мчаться с непостижимой быстротой, повинуясь легким поворотам зеркала в ваших руках.
Но если изображение пламени свечи после первого отражения движется вдвое быстрее, то после десятка отражений его скорость будет двадцатикратной. А какая разница для опыта, что будет двигаться: сам источник — свеча — или его отражение в зеркале?..
И вот по чертежам Белопольского готовится чугунная станина будущего прибора. Укрепляются электромоторы с колесами, похожими на пароходные. Только вместо плиц стоят на них узенькие зеркальные полоски. Идея прибора заключалась в том, что луч солнечного света, отраженный большим зеркалом — целостатом, направляется на вращающееся колесо через щель. В некоторый момент, когда зеркало одного колеса станет строго параллельным зеркалу второго, луч, проскочив между ними несколько раз, попадет в спектрограф. И фотопластинка отметит коротенькую полоску спектра от движущегося источника. Рядом на той же пластинке Белопольский для контроля сфотографировал неподвижный спектр.
Нужно ли говорить, как волновался ученый, пока в темной лаборатории проявлялась пластинка. Он не стал даже ждать, пока она высохнет. Но и на мокром негативе Аристарх Аполлонович увидел чуть заметное смещение линий спектра. Справедливость теоретических предсказаний Допплера и Физо была доказана.
Астрофизики получили надежную возможность измерять скорости движения звезд.
Дьявол Джона Гудрайка
Во второй половине восемнадцатого столетия в Англии жил удивительный астроном. Звали его Джон Гудрайк. Еще ребенком он сильно отличался от своих сверстников. Маленький Джон почти всегда был один. Молчаливо, сосредоточенно, не обращая внимания на кипевшую вокруг него жизнь, занимался он своими делами. Мальчик был от рождения глухонемым.
И все-таки он стал ученым! И удачливым ученым, на долю которого выпало очень интересное открытие.
В восемнадцать лет Джон Гудрайк начал самостоятельно и серьезно заниматься изучением неба. Ночь за ночью проводил он у телескопа, забывая в эти часы о своем природном недостатке. Звезды так же молчаливы и глухи, как и он. Но у них должен быть какой-то язык, на котором они разговаривают между собой. Вот таинственная звезда Алголь. С древнейших времен считалось, что с нею что-то нечисто. Даже само название Эль-Гуль, которое дали ей арабы, означало в переводе не что иное, как «Дьявол». Чем же она замечательна? На первый взгляд — ничего особенного. Звезда как звезда. Но если понаблюдать подольше, то обнаруживается странное свойство: около трех суток светит Алголь ровно, как и полагается добропорядочной звезде, а потом — раз, и подмигнет!
Гудрайк установил, что эта удивительная звезда за пять часов «подмигивания» теряет две трети своего блеска. А потом снова восстанавливает. И так каждые двое суток и еще двадцать часов сорок девять минут. Не отставая и не опережая график, как хорошо выверенный хронометр.
Долго обдумывал астроном причину странного поведения светила и выдвинул такую гипотезу: у Алголя должен быть невидимый спутник, который, вращаясь вокруг главной звезды, время от времени закрывает ее сияющий лик. Предположение Гудрайка долго оставалось в ранге гипотезы и лишь в конце прошлого века подтвердилось. Алголь действительно оказался затменно-двойной звездой. С тех пор подобных звезд открыто множество. В честь дьявольской звезды некоторые из них получили общее название «алголей».
Это небесное тело оказало нам не одну услугу. Точный, как хронометр, Алголь помог впервые измерить собственную скорость вращения звезды. Очень важно! В 1877 году английский астроном Эбни предложил великолепную идею для определения скорости вращения звезд по размазыванию линий спектра за счет эффекта Допплера. К сожалению, его предложение опередило время. Эбни поплатился за это тем, что сегодня его имя почти забыто. Лишь в 1928 году американский астроном О. Л. Струве — правнук незабвенного Василия Яковлевича — и советский астроном Г. А. Шайн полностью реализовали блестящую догадку забытого англичанина.
Алголь поистине «урожайная» звезда. Точные фотометрические наблюдения показали, что у нее есть слабо светящийся спутник, время от времени затмевающий основную звезду. Это позволило двинуть астрономический прогресс и в области двойных систем.
Дыхание цефеид
Еще более удивительными оказались другие «подмигивающие» звезды, типичным представителем которых является Дельта созвездия Цефея. Эти гиганты периодически меняли свой блеск. Только разгорались они почему-то быстро, а затухали медленно. При этом менялся даже спектральный класс звезды. Так, Дельта Цефея, разгоревшись, сияла, как звезда, принадлежащая к классу F4, а пригаснув — к классу G6.
Может быть, причиной колебаний яркости служит тоже темный спутник? Такую идею выдвинул в свое время А. А. Белопольский. Однако профессор Московского университета физик Николай Алексеевич Умов предложил другую гипотезу — считать цефеиды (так называли звезды типа Дельты Цефея) пульсирующими звездами. Умов заложил основы и для математической разработки своей гипотезы. И сейчас теория пульсаций для цефеид общепринята. Современная наука представляет себе их в виде гигантских пульсирующих газовых шаров, которые, сжимаясь, разогреваются и увеличивают свой блеск. Зато потом, когда наступает период расширения, температура звезды падает и, несмотря на увеличение объема, блеск ее ослабевает.
Цефеиды поделились с людьми множеством откровений. В 1912 году мисс Ливитт, наблюдая цефеиды в Малом Магеллановом облаке, установила, что чем больше блеск цефеиды, тем медленнее она пульсирует. Эта закономерность позволила определить относительные расстояния цефеид от Солнца. Правда, относительные величины мало кого устраивают. Людям подавай абсолютные: в световых годах, в парсеках… Но для этого надо знать хотя бы одно расстояние точно. Хоть до какой-нибудь единственной цефеиды. Американский астроном Шепли проделал эту работу. И мигающие гиганты стали служить верстовыми столбами вселенной.
Тридцать лет ни один астроном не позволял себе сомневаться в справедливости результатов Шепли. И вдруг в конце сороковых годов нашего столетия обнаружилось, что в действительности цефеиды ярче, чем это получалось по графику Шепли. Пришлось вносить коррективы, после которых вместо «верстовых столбов» на небе появились «столбы километровые».
Однако ошибки, допускаемые астрономами, не только не унижают их, а, наоборот, паче всего говорят о славе и беспримерности научного подвига. Ибо только тот, кто ничего не делает, гарантирован от ошибок.
Тайны мирид
Не все звезды меняют свой блеск равномерно. Вот, например, Мира в созвездии Кита. Ее имя не зря переводится как «Удивительная» или «Дивная». Мира вспыхивает, совершенно не заботясь о том, чтобы посмотреть при этом на часовую стрелку или календарь. Один раз в наш земной год она сияет полным блеском. Но сказать заранее, когда этот момент наступит, невозможно.
Вслед за Мирой астрономы отыскали еще массу неправильных переменных звезд, назвав их миридами. Жаль только, что назвать еще не значит изучить! Академик Г. А. Шайн, много занимавшийся процессами в долгопериодических переменных звездах, высказал мнение, что причиной изменения блеска является также пульсация, которая сопровождается извержением горячих газов из недр звезды в более холодные слои ее атмосферы.
О многом можно гадать, пока нет строгой математической теории, описывающей наблюдаемое явление. Тайны мирид ждут своей разгадки.