Попытки объяснить космологическую постоянную или любой другой физический параметр, описывающий Вселенную, напоминают нам, что каждое новое открытие какого-либо аспекта Вселенной вызывает новые вопросы, на решение которых потребуются многие годы. Циники могут задаться вопросом: «Кого это волнует?» Не только антропный принцип, но и весь спектр теорий устройства Вселенной, от придуманных древними греками до Мультивселенной, почти не оказал влияния на нашу повседневную жизнь. И все же вопросы мироустройства продолжают волновать многих из нас, ставя нас лицом к лицу (как писал Ф. Скотт Фицджеральд в своем романе «Великий Гэтсби») с чем-то соизмеримым и заложенной в нем способностью к восхищению.
Тем, кто ищет знания поближе к дому, следует обратить внимание на отдельные космические объекты, которые действительно оказывают непосредственное влияние на нашу жизнь. Мы можем начать с того же, с чего начала Вселенная, – с крупнейших из них, а затем перейти к менее значимым, которые можем исследовать, стоя на твердой почве.
Часть II. Происхождение галактик и структура Вселенной
Глава 8. Как были обнаружены галактики
Два с половиной столетия назад, незадолго до того как английский астроном сэр Уильям Гершель собрал первый по-настоящему большой телескоп в мире, известная человеку Вселенная состояла всего лишь из звезд, Солнца и Луны, нескольких планет и нескольких спутников Юпитера и Сатурна, какого-то количества туманных объектов, а также Галактики, образующей молочно-белый пояс на талии ночного неба. Действительно, слово «галактика» переводится с греческого как «молоко». В небе были также обнаружены объекты неясного очертания, позднее названные туманностями[23] из-за того, что были до определенной степени бесформенными, например Крабовидная туманность в созвездии Тельца или туманность Андромеды, уютно расположившаяся в пределах созвездия одноименного созвездия.
Телескоп Гершеля был оснащен зеркалом шириной 48 футов[24] – беспрецедентный формат для 1789 года, когда он был сооружен. Из-за своей сложной системы балок и стоек, необходимой для закрепления и направления его под нужным углом, телескоп был весьма неповоротливым, но, направляя его в небо, Гершель мог сразу же увидеть бесчисленные звезды, образующие Млечный Путь. С помощью этого 48-футового гиганта и еще одного телескопа поменьше Гершель и его сестра Каролина составили первый подробный каталог северных туманностей дальнего космоса. Сэр Джон – сын Гершеля – тоже внес вклад в семейное дело, дополнив составленный отцом и тетей каталог северных объектов: во время своего пребывания на мысе Доброй Надежды на юге Африки он добавил в него более 1700 туманных объектов, которые можно было разглядеть из Южного полушария. В 1864 году сэр Джон собрал все семейные открытия и записи в единый реестр, который назвал «Общим каталогом туманностей и скоплений звезд». В него вошло более 5000 наименований.
Несмотря на столь внушительный объем данных, в то время никто не понимал истинной природы туманностей, не представлял, насколько далеко от Земли они расположены или чем отличаются друг от друга. Тем не менее вышедший в 1864 году каталог позволил классифицировать туманности по их морфологическим признакам, то есть в зависимости от формы. В духе лучших традиций бейсбольных судей (а они появились в то же время, когда каталог Гершеля-младшего увидел свет) ученые дали туманностям названия по принципу «что вижу, о том и пою». Туманности спиральной формы получили название спиральных; те, что напоминали эллипс, стали эллиптическими; а все остальные, обладавшие неопределенными формами, были названы неправильными. Ученые добрались и до маленьких округлых туманностей, напоминающих в объективе телескопа планеты, и назвали их планетарными, что потом регулярно сбивало с толку новичков в области астрономии.
На протяжении почти всей своей истории астрономия придерживалась максимальной прямолинейности, используя описательные методы изучения, во многом схожие с принятыми в ботанике. Вооружившись все увеличивающимся списком обнаруженных звезд и туманных объектов, астрономы искали в них сходства и различия, которые позволили бы классифицировать их тем или иным образом. Между прочим, это очень разумно. Многие люди с самого детства интуитивно склонны организовывать вещи согласно их внешнему виду и форме. Гершели предполагали, что раз уж объекты, наблюдаемые ими в ночном небе, имеют примерно одинаковые видимые размеры, значит, они находятся на одном и том же расстоянии от Земли. По этой причине для них руководствоваться единым для всех туманностей принципом группирования и классификации было более чем естественно.
Однако это было грубой ошибкой – предполагать, что все туманности находятся на одном и том же расстоянии от нас. Природа бывает обманчива и даже коварна. Некоторые из туманностей в классификации Гершелей на самом деле находятся от нас не дальше, чем звезды, потому-то они столь малы (если, конечно, миллиарды километров от края до края – это «мало»). Другие туманности оказались гораздо дальше от нас, а это значит, что фактически они в разы крупнее тех туманных объектов, что находятся ближе (раз предстают перед нами в одном и том же размере).
Из этого важно вынести следующий урок: в какой-то момент нужно перестать зацикливаться на том, как выглядит тот или иной предмет, и начать спрашивать, что он из себя представляет. К счастью, к концу XIX века научный и технологический прогресс позволил астрономам поступить именно так: заняться чем-то более интересным и важным, чем раскладывание по папкам и полочкам содержимого нашей Вселенной. Этот сдвиг ознаменовал собой рождение астрофизики, которая представляет собой прикладное применение законов физики к ситуациям и явлениям астрономических масштабов.
В то время, когда сэр Джон Гершель опубликовал свой внушительный каталог туманностей, был изобретен новый научный прибор – спектроскоп. Его единственное назначение – разбивать свет на богатую палитру составляющих его цветов. Эти цвета и их свойства не только много рассказывают нам о химическом составе источника света, но и благодаря явлению под названием «эффект Доплера» повествуют о движении источника света относительно Земли – навстречу нашей планете или прочь от нее.
Спектроскопия показала ученым кое-что удивительное: почти все спиральные туманности, которых особенно много сразу за пределами Млечного Пути, постоянно удаляются от Земли на высоких скоростях. В противовес этому все планетарные туманности и почти все неправильные туманности движутся с относительно низкой скоростью: некоторые навстречу нам, другие прочь от нас. Может, в самом сердце Млечного Пути произошел какой-то катастрофический взрыв, мощность которого изгнала за его пределы исключительно спиральные туманности? Может, мы как раз живем в момент (или, скорее, период) протекания этой катастрофы? Несмотря на технические инновации, которые в то время переживала фотография (включая появление пленок с эмульсионным покрытием более быстрого проявления) и которые позволяли астрономам измерять спектр даже наиболее бледных туманностей, ответа на вопрос, почему они продолжают уходить от нас одна за другой, так и не находилось.
Большая часть прорывов в астрономии, как и в других науках, связана с появлением более совершенных технологий. На рубеже 1920-х годов в обиходе ученых появился еще один ключевой инструмент: 100-дюймовый телескоп Хукера в обсерватории Маунт-Уилсон в окрестностях Пасадены, штат Калифорния, США. В 1923 году американский астроном Эдвин П. Хаббл с его помощью – а на тот момент это был самый большой телескоп в мире – обнаружил особый вид звезд в туманности Андромеды: так называемые переменные звезды цефеиды. Переменные звезды любого типа обладают переменной светимостью, которая претерпевает изменения в соответствии с определенным циклом. Так, цефеиды, получившие свое название в честь одной из таких звезд, найденных в созвездии Цефея, отличаются исключительной светимостью (яркостью) и потому видны на очень далеких расстояниях. Так как их светимость изменяется в рамках определенного цикла, терпение и упорство помогают дотошному наблюдателю обнаруживать все больше и больше таких звезд. Хаббл нашел несколько цефеид внутри Млечного Пути и прикинул их расстояние от Земли. К его изумлению, цефеида, обнаруженная им в туманности Андромеды, оказалась намного бледнее остальных.
Самое очевидное этому объяснение напрашивается само собой: новая переменная цефеида – как и ее «хозяйка» туманность Андромеды – находится гораздо дальше, чем цефеиды Млечного Пути. Хаббл понял, что его открытие отодвигает туманность Андромеды на столь далекое расстояние, что она никак не может быть частью созвездия Андромеды, более того, она вообще не может входить в состав Млечного Пути; и если и был какой-либо (тогда предполагаемый) катастрофический инцидент, когда «звездное молоко» расплескалось за пределы Млечного Пути, то туманность Андромеды не могло просто выплеснуть из него вместе с ее спиральными сестрицами.
От напрашивающихся выводов захватывало дух. Открытие Хаббла показало, что спиральные туманности – это целые отдельные звездные системы, равноправные соседки Млечного Пути, в которых не меньше своих собственных звезд. Перекликаясь с идеей философа Эммануила Канта об «островных вселенных», полученные Хабблом данные демонстрировали, что за пределами нашей собственной звездной системы лежат десятки, а может, и сотни аналогичных систем – ведь цефеида в туманности Андромеды была лишь одним из множества маяков, сигнализирующих об этом. Туманность Андромеды оказалась… галактикой Андромеды.
К 1936 году с помощью телескопа Хукера было обнаружено и задокументировано уже так много островных вселенных, что и Хабблу тоже захотелось попробовать себя в морфологии. Его анализ типов галактик основывался на непроверенном предположении, что различия в их формах отражают собой различные стадии в эволюции галактики, от рождения до смерти. В 1936 году в своей книге под названием «Царство туманностей»