Из распределения слабых и ярких звезд по небу следует, что звезды образуют круговой диск с диаметром 105 световых лет и толщиной 104 световых лет. Солнце и Земля находятся на середине радиуса. Эта плоская «колония» звезд называется галактической системой, или нашей Галактикой. Среднее расстояние между звездами в ней — около 10 световых лет. Таково расстояние от Солнца до ближайших звезд вокруг него, и, по-видимому, таково же обычное расстояние между соседями в Галактике. Отсюда легко оценить, сколько всего звезд в Галактике. Мы получим число около 50 миллиардов.
В настоящее время мы знаем гораздо больше о строении Галактики. В нее входят не только звезды, но также газы и пыль; особенно много их в центре Галактики. Эта межзвездная материя затрудняет применение нашего простого метода измерения расстояний. Видимая через слой газа и пыли, звезда кажется слабее, и мы можем ошибочно заключить, что она дальше от нас, чем на самом деле. Но астрономы разработали много методов, позволяющих преодолеть эту трудность. Современная радиоастрономия, например, дает хороший метод определения областей, в которых находится межзвездный газ; этот газ испускает определенные радиоволны, характерные для атомов водорода — основного элемента в межзвездном газе. Таким методом, а также целым рядом других установлено, что звезды сосредоточены в больших спиральных рукавах, выходящих из центра диска и закрученных в его плоскости.
Система звезд, образующих нашу галактическую систему, — это вторая, более крупная единица космической среды, в которой мы обитаем. Сначала мы рассматривали Землю, а затем и солнечную систему как наше местообитание. Теперь мы узнали, что Солнце вместе со своими планетами — только малая часть большой системы, насчитывающей многие миллиарды звезд, — нашей Галактики. Что находится вне этой системы?
Рис. 6. Современный радиоастрономический телескоп.
Другие галактики
Посмотрим опять на звездное небо в бинокль. Мы увидим миллиарды звезд нашей Галактики. Иногда, однако, мы увидим нечто отличное от звезды — туманность, протяженное светящееся пятно. Прекрасным примером ее служит туманность в созвездии Ориона. Эта туманность, как и многие другие, оказалась облаком светящегося газа. Однако существуют и другие туманности; наиболее поразительна среди них туманность Андромеды, которая при наблюдении в малый телескоп выглядит как дискообразная светящаяся область. Рассматривая эти туманности в очень сильные телескопы, мы увидим, что на самом деле они представляют собой скопления очень слабых звезд, расположенных в виде такой же дискообразной спирали, как и наша Галактика. Это было потрясающее открытие! Наша Галактика оказалась не единственной. Существуют и другие аналогичные звездные системы. Число таких галактик очень велико. Чем мощнее телескоп, тем больше можно увидеть галактик. Они простираются глубоко во Вселенную. Насколько они удалены от нас и каково их распределение в пространстве?
Мы снова можем получить некоторое представление об интересующих нас расстояниях, исходя из кажущейся яркости объектов. Обратимся к туманности Андромеды (фото I).
Ее полная яркость примерно такая же, как у средней звезды, удаленной на 10 световых лет. Очень мощные телескопы показывают, что число всех звезд в этой галактике такого же порядка, как и в нашей, — около 50 миллиардов. Отсюда мы должны заключить, что на самом деле эта туманность в 50 миллиардов раз ярче отдельной звезды нашей Галактики. Она кажется столь же яркой; следовательно, расстояние до туманности Андромеды должно быть в √50·109 раз больше, чем до ближайших звезд, т. е. должно равняться произведению 10 световых лет на √50·109, что дает около 2 миллионов световых лет. Это число неоднократно проверялось другими, более точными методами и оказалось примерно правильным. Расстояние от нашей Галактики до соседней приблизительно в 20 раз больше диаметра Галактики. Свет, приходящий от туманности Андромеды, покинул ее тогда, когда нашу Землю населяли еще не люди, а их обезьяноподобные предки.
Тот же метод можно применить к другим видимым на небе галактикам. Сравним кажущуюся яркость какой-либо галактики с яркостью туманности Андромеды; пусть яркость первой, скажем, в x раз меньше; тогда данная галактика в √x раз дальше. Это заключение основано на гипотезе, что все галактики имеют приблизительно одинаковые размеры и истинную яркость. Многие тщательно выполненные наблюдения подтверждают эту гипотезу.
Таким путем можно получить представление о распределении по небу множества спиральных туманностей, которые мы видим в сильные телескопы. Теперь нам известно о миллионах таких туманностей. Мы нашли, что они распределены в пространстве более или менее равномерно по всем направлениям, причем среднее расстояние между соседями достигает нескольких миллионов световых лет. Расстояние между нашей Галактикой и туманностью Андромеды приблизительно равно среднему расстоянию между галактиками вообще. Чем дальше мы смотрим, тем больше галактик находим. Дойдем ли мы в своих поисках до конца?
Расширяющаяся Вселенная
На этот вопрос можно ответить утвердительно благодаря открытию очень интересного и неожиданного явления, сделанного несколько десятилетий назад. Все эти галактики движутся от нас, и, чем дальше они находятся, тем быстрее удаляются. Откуда мы это знаем?
Для этого надо лучше изучить свет, приходящий к нам от туманностей, т. е. от всех 50 миллиардов звезд, составляющих туманность. Как будет показано в гл. III, световой луч есть электромагнитная волна, и ее частота (т. е. число колебаний, совершающихся в 1 секунду) определяет цвет. Свет можно разложить в спектр, пропуская его через призму, и тогда цвета расположатся по частотам: низкие частоты с одной стороны, высокие — с другой. Изучая свет, испускаемый звездой, легко показать, что, хотя мы видим все цвета, некоторые частоты все же отсутствуют. В спектре большинства звезд отсутствуют определенные частоты.
Свет с такими частотами поглощается более холодным газом на поверхности звезд. Темные линии в спектре расположены как раз на тех местах, в которых находился бы свет соответствующей частоты, если бы. он не поглощался. Например, в большинстве звездных спектров наблюдаются две темные линии в фиолетовой части, указывающие на поглощение газообразным кальцием. Мы не удивляемся, находя те же темные линии в спектрах отдаленных галактик, так как их излучение — это сумма излучения всех входящих в них звезд. Но весьма поразительно, или сперва казалось поразительным, что те же две темные линии находятся не при ожидаемой частоте, а смещены в сторону меньших частот. В очень слабых галактиках эти линии видны в красном конце спектра, а не в фиолетовом.
Такое смещение частоты хорошо известно, и его можно прямо истолковать как следствие движения объекта относительно наблюдателя. Если источник света удаляется от наблюдателя, то частота испущенного света уменьшается, точно так же как звук автомобильного сигнала кажется ниже, когда автомобиль удаляется от нас. Наблюдаемое смещение пропорционально скорости и, следовательно, может служить для определения скорости удаляющихся объектов.
Поэтому смещение частоты света от отдаленных галактик можно истолковать как доказательство того, что они удаляются от нас. Скорость этого движения оказалась пропорциональной расстоянию до галактики. Движение ближайшей галактики, например туманности Андромеды, почти невозможно обнаружить, но галактики, отстоящие от нас примерно на 100 миллионов световых лет, удаляются со скоростью около 3000 км/сек. Численная величина этой скорости, выраженная в километрах в секунду, примерно в 30 раз больше расстояния, выраженного в миллионах световых лет. Такая связь между скоростью и расстоянием была впервые найдена американским астрономом Хабблом в 1929 г. В настоящее время наиболее сильные телескопы позволяют различать галактики, удаленные на 3 миллиарда световых лет. Они удаляются от нас со скоростью 90 000 км/сек, что составляет почти треть от скорости света.