тов. Этот метод плодотворно используется и в промышленности, и при лабораторных исследованиях, и при изучении космических объектов.
Особое звучание исследование спектров получило в 1870 году, когда Дж. Стони заметил, что три спектральные линии в спектре Солнца соответствуют трём спектральным линиям спектра атомов водорода и что длины волн этих линий относятся между собой как определённые целые числа.
Через пятнадцать лет швейцарский физик и математик И. Бальмер обнаружил важное обстоятельство: закономерность, замеченная Стони, есть частный случай более общего закона. Он нашёл, что длины волн всех видимых спектральных линий водорода могут быть связаны простой формулой. Нужно лишь приписывать некоторой переменной величине, входящей в эту формулу, целочисленные значения от трёх и больше. Эти спектральные линии водорода теперь называют спектральной серией Бальмера.
Закономерности, вскрытые Бальмером, Лайманом и другими физиками в спектре атомов водорода, стали экспериментальной основой, на которой Нильс Бор возвёл первый этаж величественного здания квантовой физики. Он построил модель атома водорода, поставив этим на твёрдую основу резерфордовскую планетарную модель атома. Недаром физики в шутку говорят: атом Бора — это не атом химического элемента бора, а атом водорода.
Потребовались годы коллективных усилий, прежде чем учёным удалось выявить закономерности, определяющие строение других атомов, более сложных, чем атом водорода. Когда же это было сделано, спектральный анализ получил возможность идентифицировать каждый из химических элементов и их ионов, а позже и изучать строение молекул. Он стал надёжным орудием физиков, химиков, астрофизиков, геологов, металлургов и специалистов других областей науки и техники. Приближалось время, когда должна была сделать свой вклад в космологию и «серия Лаймана».
Именно такую серию, сдвинутую красным смещением, опознал в 1963 году Шмидт в спектре одного из квазаров, дав мощный толчок исследованиям этих таинственных объектов. Серию Лаймана в спектрах небесных тел нельзя наблюдать с поверхности Земли. Дело в том, что ультрафиолетовый участок спектра полностью поглощается атмосферой, главным образом слоем озона, возникающим в верхних слоях атмосферы под воздействием солнечного излучения.
Итак, в спектрах далёких квазаров, для которых красное смещение превосходит Z = 2, ультрафиолетовые спектральные линии водорода, открытые Лайманом, перемещаются в видимый диапазон. Самую яркую из них по традиции обозначают греческой буквой альфа.
В 1971 году неожиданно оказалось, что в спектрах многих квазаров с коротковолновой стороны от широкой яркой линии альфа Лаймана видны узкие тёмные спектральные линии, подобные линиям, открытым Фраунгофером в спектре Солнца. Такие линии возникают, когда свет яркого источника проходит сквозь слои более холодных газов. Атомы холодного газа поглощают свет волн точно той длины, которые они испускают, будучи нагретыми.
Это открытие, как часто бывает, не привлекло сразу внимания учёных. Потребовалось значительное улучшение качества электронной аппаратуры, применяемой астрономами для исследования спектров слабых источников. В строй вступили новые схемы, способные регистрировать приход единичных фотонов.
Систематические исследования спектральных линий поглощения, сопровождающих альфу Лаймана, были начаты в 1980 году американскими учёными под руководством В. Сарджента. Они увидели, что в коротковолновой окрестности линии альфа Лаймана простирается область непрерывного излучения, прорезанная десятком узких линий поглощения. Прибор нарисовал кривую, которая выглядит как еловый лес, отражающийся в водной глади: ели стоят сплошной стеной, а их вершины кажутся расположенными внизу. Сбоку на этой картине возвышается высокой и широкой вершиной изображение альфы Лаймана.
Так возникло и удержалось в научной литературе название — лес альфы Лаймана.
Какие тайны скрывает этот лес?
Помните, мы уже упоминали о том, что наиболее удалённые из галактик, видимых в лучшие телескопы, имеют значение красного смещения Z меньше чем единица? Астрономы могли только гадать: что же находится и происходит в огромном объёме, лежащем за этим пределом?
До тех пор пока не войдут в строй телескопы следующего поколения, составленные из многих зеркал, согласованно подчиняющихся командам ЭВМ, нечего и мечтать увидеть или сфотографировать за этим пределом объекты менее яркие, чем квазары.
Неожиданную возможность предоставил лес альфы Лаймана. Изучая его, расшифровывая информацию, закодированную в виде образующих его деревьев спектральных линий, можно получить информацию о том, что находится между нами и квазарами. Можно проникнуть мысленным взором туда, откуда к нам не доходит свет объектов менеё ярких, чем квазары.
Впрочем, неведомое и этим путём не может быть полностью изучено с поверхности Земли. Для квазаров с Z меньшим чем 1,7, альфа Лаймана и её лес испытывают слишком малое красное смещение, чтобы пройти сквозь слой озона. Эту узкую зону с Z от 1 до 1,7 можно прощупать только с искусственных спутников Земли, которые движутся за пределами слоя озона.
Что же увидели учёные в лесу альфы Лаймана?
Оказалось, что каждая из линий, образующих этот лес, связана с поглощением света квазара при его прохождении через огромные облака атомарного водорода. Это именно отдельные облака. Каждое из них ограничено в пространстве. Расстояние до облаков может быть определено из величины красного смещения — скорости удаления от нас каждого облака. Удаления, обусловленного фридмановским расширением той области пространства, которое включает данное облако. Каждое из этих облаков, расположенных на пути, по которому к нам идёт свет квазара, оставляет свою метку, свою линию поглощения, входящую в состав леса Альфы Лаймана. Речь идёт именно об отдельных облаках. Если бы всё космическое пространство было равномерно заполнено атомарным водородом, спектральные линии поглощения слились бы воедино, вызывая лишь ослабление света, приходящего к нам от квазара.
Убедительным подтверждением этой точки зрения является несхожесть структуры леса альфы Лаймана для различных квазаров. Ведь свет от них идёт к нам различными путями. Значит, он проходит через различные облака атомарного водорода, находящиеся на различных расстояниях от нас и имеющие индивидуальные значения величины красного смещения.
Исследуя спектральные линии поглощения, принадлежащие лесу альфы Лаймана данного квазара, учёные установили, что на каждый нейтральный атом водорода в облаке приходится около ста тысяч протонов (ионизированных атомов водорода). Удалось установить и массу облаков. Она огромна и обычно равна от 107 до 108 солнечных масс.
В 1984 году американские учёные, руководимые К. Фольтцем, установили, что размеры облаков сопоставимы с размерами галактик. При этом они опирались на одну интересную идею Эйнштейна. Речь идёт о гравитационных линзах — огромных областях пространства, геометрия которых искривлена скоплением колоссальных масс материи. Проходя через искривленное пространство, изгибаются и лучи света. При удачном стечении обстоятельств наблюдатель может видеть квазар, расположенный за гравитационной линзой, раздвоенным. Сейчас известно семь гравитационных линз, образующих по два изображения находящихся за ними квазаров.
Доказательством того, что это действительно удвоенное изображение одного и того же квазара, служит полное совпадение линий, образующих лес альфы Лаймана, в каждом из них.
Этот результат показывает, что облако водорода, образующего каждую из линий поглощения, связано с галактикой, невидимой из-за большого расстояния. Если бы облако было больше типичной галактики, то линии леса были бы сдвинутыми. Если бы они были меньше неё, то в лесу были бы и другие «деревья». К этому мы ещё вернёмся.
Так открылась одна из тайн космоса. Размеры облаков столь велики (несколько десятков тысяч световых лет), что их собственные гравитационные силы не смогли бы удержать их от расширения. Их удерживает гравитация, сдерживающая и звёзды в галактиках. Источником этой гравитационной силы является огромная масса невидимых нейтрино, стянутых в незримое облако гравитационными силами на ранней стадии эволюции Вселенной.
Признав, что водородные облака — порождение столь отдалённой эпохи, следует принять и то, что в их состав не входят другие элементы, кроме гелия. Но обнаружить в этих облаках присутствие гелия с поверхности Земли мешает слой озона, поглощающий излучение, исходящее от атомов гелия. Увидеть его — задача космической астрономии. Космические телескопы позволят сделать контрольный замер: определить отношение количества водорода к количеству гелия. Другие методы уже дали ответ: это отношение, как и предсказала теория Большого взрыва, составляет три к одному.
Теорией Большого взрыва учёные называют модель ранних этапов эволюции Вселенной. Началом в этой модели возникновения мира является взрывоподобное, быстрое расширение плотной горячей массы первоначальной материи.
В спектрах леса Альфы Лаймана, полученных у нескольких квазаров, помимо линий поглощения водорода обнаружены спектральные линии сравнительно тяжёлых элементов — углерода, кремния и магния. Так закодирована ещё одна тайна. Расшифровка спектров показала, что в этих случаях луч зрения от квазара к телескопу проходит не через край водородного облака, а через его центральные области, проникая сквозь галактику, «спрятанную» в этом облаке. Точнее, луч зрения проходит через галактический диск или через гало, окружающее эту галактику, то есть через области, где, как показали исследования видимых, близких к нам, галактик, присутствуют эти элементы.
Французский учёный Ж. Бержерон специально исследовал эту проблему. К каким выводам привели его раздумья и наблюдения? Действительно, в тех случаях, когда свет квазара проходил сквозь гало видимой галактики, в этом гало обнаружено красное смещение, совпадающее с красным смещением линий тяжёлых элементов в лесу альфы Лаймана этого квазара.