Теория и наблюдения в астрономии до сей поры шли параллельно, но неожиданно на сцену вышел европейский священник, который заставил их пересечься. Ничем не примечательный молодой бельгийский священник и физик Жорж Леметр установил принципиально важную взаимосвязь между приведенными выше отвлеченными теоретическими решениями и эмпирическими данными, которые наконец убедили принять выводы Хаббла. Во время своей работы в Гарвардской обсерватории в 1924–1925 гг. Леметр осознал масштабные перспективы сведения в единое целое теории и результатов наблюдений. Он присутствовал на ежегодном собрании Американского астрономического общества в Вашингтоне в 1925 г., где услышал о первом крупном открытии Хабблом существования других галактик помимо нашей собственной. Кроме того, Леметр знал об астрономе Слайфере, бывшем фермере из Индианы, и был знаком с его выводами об удаляющихся туманностях. Леметр заметил, что эти два наблюдения при их сопоставлении подразумевают расширение Вселенной. И у него случилось озарение. Постепенно обрастала деталями идея провести эмпирический тест, цель которого — получить веские доказательства, необходимые для подтверждения теоретической гипотезы о расширяющейся Вселенной. После возвращения в Левен (Бельгия) он разработал модель динамичной Вселенной наподобие работы Фридмана, хотя и не имел ни малейшего понятия о его идеях. Дальновидный Леметр, на два шага опережая всех ученых, сразу же принялся сопоставлять возможные последствия результатов Хаббла и потенциальное использование новооткрытых галактик для проверки характеристик Вселенной. Он стремился проверить, находится ли наблюдаемая нами Вселенная в согласии с ОТО. В своей статье от 1927 г. Леметр спрогнозировал, что скорость, с которой туманности от нас удаляются, пропорциональна расстоянию между нами и туманностью, и подытожил: «Скорости удаления внегалактических туманностей представляют собой космический эффект расширения Вселенной»{12}. Линейная зависимость, согласно которой скорость удаляющихся туманностей пропорциональна расстоянию до них, стала качественно новым выводом, ранее не упомянутым Фридманом. Теперь появились четкие предпосылки для теоретических решений, которые можно было бы напрямую сопоставить с астрономическими наблюдениями. Леметр не знал о расчетах Фридмана, статья которого канула в Лету. К сожалению, Леметр опубликовал свою эпохальную идею на французском языке в малоизвестном научном журнале «Вестник Научного общества Брюсселя» (Annals of the Scientific Society of Brussels). И хотя в 1928 г. в Кембридже он входил в круг великих умов, таких как Артур Стенли Эддингтон, сам Леметр, гигант мысли британской элиты астрофизиков, не смог привлечь к своей работе большого внимания. Теоретическая концепция динамической Вселенной появилась в научной литературе в 1928 г., но осталась незамеченной и не имела какого-либо влияния.
Теперь мы возвращаемся в 1912 г., в мир наблюдательной астрономии, на фоне которой развернутся приведенные выше теоретические свершения. Астрономы-наблюдатели гораздо раньше обнаружили указания на динамический характер Вселенной. Как было сказано выше, первым ключом к разгадке послужили измерения Слайфером скорости туманностей, которые он осуществил с помощью 24-дюймового телескопа в Обсерватории Лоуэлла в штате Аризона в 1912 г. Главным техническим прорывом в то время стало использование фотопластинок в телескопе, которые позволяли фиксировать изображения слабо видимых астрономических объектов. Уже в 1840 г. удалось успешно получить изображение небесного тела, однако понадобилось куда больше времени, чтобы этот метод достиг совершенства. Еще 50 лет потребовалось для фиксации изображения тусклых звезд и неярких туманностей, которые нельзя увидеть невооруженным глазом. К началу 1900-х гг. наблюдатели регулярно оснащали телескопы камерами и другими приборами, например спектрографами: с помощью разложения света на составляющие его длины волн они показывают химический состав наблюдаемых объектов. Исследователи наводили телескопы на конкретные объекты и собирали свет в течение длительного времени. Свет на пластинке, регистрировавшей местоположение и яркость объектов, фиксировался как негативное изображение — в виде темных пятен.
Эта революционная технология позволила астрономам фиксировать слабые удаленные объекты, используя длинную экспозицию. Изображения на пластинке означали, что у астрономов появились надежные доказательства того, что они видели. Фотопластинки позволяли исследователям анализировать наблюдения и производить измерение характеристик объектов на фотографическом кадре. При наличии материальных данных наблюдений астрономы могли изучать фотопластинки при свете дня. Фотоизображения также способствовали обмену наблюдениями. Самое важное — появилась возможность откалибровать измерение яркости объекта, сделались доступными количественные статистические исследования. В частности, теперь можно было обнаружить и подтвердить с помощью повторного наблюдения перемещение объектов. Также появилась возможность измерять и документировать количественные доказательства, взятые из объективного источника — фотопластинок, в то время как ранее приходилось полагаться на хоть и тренированные, но все же потенциально пристрастные глаза астронома. Хотя в наши дни все это и не выглядит масштабным достижением, в такой сфере, как астрономия, где нельзя осуществить управляемый лабораторный эксперимент, это был настоящий прорыв. Оборудование, которое снижало зависимость от субъективного наблюдателя и автоматически регистрировало данные, максимально приблизило космологические наблюдения к качественным экспериментальным данным.
Фотопластинки, несомненно, стали важнейшими инструментами, ускорившими открытие расширяющейся Вселенной. Они зафиксировали первые материальные изображения ночного неба, которые можно было анализировать, хранить и снова включать в работу в рамках исследования и анализа. Они передавали подробное изображение ночного неба, что способствовало более тщательному изучению отдельных объектов.
Фотопластинка, предшественница фотопленки, представляет собой стеклянную пластину, покрытую фоточувствительной эмульсией, состоящей из соединений серебра, на которой можно фиксировать изображение. Пластинки были в употреблении в астрономии до 1990-х гг., так как они прочнее пленки, их сложнее помять или свернуть. Во многих известных астрономических исследованиях объекты регистрировали на пластинках. До изобретения цифровых камер фотопластинка была главным рабочим компонентом астрономического сообщества.
Фотография славится долгой и богатой историей, но если говорить о ее значении в нашем контексте, то главной здесь будет роль, которую она сыграла в фиксации изображений ночного неба. Фотографии астрономических объектов стали использоваться в научных целях в середине XIX в. Для снимков тусклых астрономических объектов была необходима длительная экспозиция и телескопам требовалась устойчивая опора, а также возможность постоянного перемещения для компенсации вращения Земли. Фокусировка телескопа на фиксированном участке неба в течение длительного времени стала непростой технической задачей. Изобретатель дагерротипии Луи-Жак Манде Дагер снял первое фото Луны в 1839 г. Луна выглядела как пуховый комок из-за сложностей с отслеживаем объекта при длительной выдержке. Уильям Крэнч Бонд и Джон Адамс Уиппл сделали первую фотографию звезды 17 июля 1850 г. с помощью 15-дюймового телескопа Гарвардской обсерватории, который все еще покоится в своей башне по адресу Гарден-стрит, 60, в Кембридже, в кампусе Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.
Затем в 1871 г. Ричард Мэддокс изобрел легкую желатиновую пластину с эмульсионным слоем. Путем проб и ошибок, работая с различными материалами, он обнаружил, что пластинки, покрытые бромистым кадмием и нитратом серебра, закрепляемые с помощью желатина, имеют невероятную светочувствительность. Джон Гершель, сын астронома Уильяма Гершеля, создал первую фотографию на стеклянной пластинке и ввел в обращение термины «позитив» и «негатив». Джон Гершель по праву заслужил титул выдающегося ученого, и его авторитетное исследование «Предварительные рассуждения об изучении натуральной философии» (Preliminary Discourse on the Study of Natural Philosophy) было опубликовано в 1831 г. в «Кабинетной энциклопедии» (Cabinet Сyclopaedia) Дионисия Ларднера. Работа, формулирующая метод научного исследования, вдохновила многих ученых, включая натуралиста Чарльза Дарвина{13}. Гершель разработал технику покрытия стеклянной пластины с одной стороны желатиновой эмульсией, содержащей микрокристаллы высокочувствительного составного галогенида серебра. Размер кристаллов определяет чувствительность, контрастность и разрешение изображения. При воздействии света эмульсия постепенно темнеет, запечатлевая рисунок и оставляя негативный отпечаток.
К началу 1900-х гг. применение фотопластинок в астрономии стало повседневной практикой. Для обработки снимков требовалась напряженная ручная работа, и с этой целью Эдвард Пикеринг, директор Гарвардской обсерватории, нанял группу женщин-исследователей, среди которых была Генриетта Суон Ливитт (и их работа имела решающее значение для миссии Хаббла), за зарплату 25–30 центов в час. Пикеринг нанял Ливитт и других женщин с высшим образованием для работы в рамках его амбициозного исследования, целью которого были каталогизация и точное измерение яркости и цвета каждой звезды на небе. В 1950-х гг. Лаборатория научных вычислений имени Томаса Дж. Уотсона, основанная в Колумбийском университете, в сотрудничестве с IBM первой внедрила автоматизированный способ измерения астрономических пластин, и таким образом машины в итоге заменили человеческие ресурсы и взяли на себя функции счетных устройств. Автоматизация процесса измерения пластин в дальнейшем способствовала извлечению данных из целого ряда исследований, посвященных крупным участкам небесной сферы.