Галактики. Большой путеводитель по Вселенной

Цефеиды пульсируют, потому что эти звезды расширяются и сжимаются. Непрозрачность газа в фотосфере звезды (внешних слоях газа) определяет, сколько света, генерируемого ядерным синтезом в ядре, может фактически уйти от звезды, а не отразиться от газа через газ в процессе поглощения и переиз-лучения. Непрозрачность фотосферы связана с давлением газа: во время цикла расширения и сжатия происходит систематическое изменение плотности газа, давления и, следовательно, общего количества испускаемых фотонов. То, что мы видим, – это регулярное изменение светимости цефеиды, когда она становится то ярче, то тусклее.

Типичная продолжительность цикла пульсации цефеиды чрезвычайно коротка в астрономических терминах. На самом деле эти изменения вполне можно соотносить с человеческой шкалой времени: они могут длиться от нескольких дней до нескольких недель. Если вам интересно, то поэкспериментировать можно даже с помощью небольшого телескопа, измеряя яркость цефеид от ночи к ночи и отслеживая их световые колебания. Пожалуй, в Северном полушарии проще всего наблюдать за одной из самых известных цефеид – Полярной звездой.

Не так давно было установлено, что цикл цефеиды дает очень полезную корреляцию: существует тесная связь между длиной цикла пульсации отдельной звезды (временем между пиками яркости) и ее средней светимостью. Цефеиды с более длинными периодами ярче своих «коллег» с более короткими. Это открытие сделала американский астроном Генриетта Суон Ливитт, которая опубликовала свои наблюдения за цефеидами Большого Магелланова Облака в 1912 году.

Почему соотношение «период – светимость» так полезно для нас? Если мы знаем внутреннюю яркость объекта (общее количество энергии, которое он излучает каждую секунду), то можем сравнить эти показатели с его видимой яркостью на небе (потоком, который мы измеряем с помощью телескопа) и таким образом определить, как далеко он находится. Так как наблюдаемая яркость источника падает согласно хорошо известному закону обратных квадратов, если у вас есть данные о внутренней светимости объекта, то есть об общем количестве выделяемой энергии, вы можете, основываясь на законе обратных квадратов, посчитать расстояние до них. Примерно в то же время, когда Генриетта Суон Ливитт сделала свое открытие, датский астроном Эйнар Герцшпрунг откалибровал отношение периодичности к свету, используя расстояния до цефеид в Млечном Пути, для которых он измерил параллакс, связав тем самым технику определения расстояния до цефеид с техникой измерения независимого расстояния. Точное измерение физических расстояний – одна из самых сложных проблем в астрономии, и поэтому мы называем небесные тела вроде цефеид стандартными свечами, потому что они представляют собой объекты, светимость которых хорошо откалибрована.

Эдвин Хаббл и Милтон Хьюмасон обнаружили, что цефеиды в M31 расположены на чрезвычайно большом расстоянии от нас и должны лежать далеко за пределами Млечного Пути. Открытие этих далеких цефеид стало значительным аргументом в спорах об островной Вселенной. M31, безусловно, находится за пределами Млечного Пути – и при этом на очень большом расстоянии от нашей Галактики. Если правильно настроить изображение, позволяющее уловить слабое излучение протяженного звездного диска галактики, то можно заметить, что с точки зрения размещения на небе M31 больше, чем полная Луна. На самом же деле она находится примерно в миллион раз дальше, чем ближайшая звезда. Если бы звездный диск Млечного Пути уместился на трассе кольцевой автомобильной дороги вокруг Лондона, Андромеда оказалась бы где-нибудь под Москвой. Так мы открываем для себя внегалактическую астрономию, точнее, исследования в этой сфере. Смотря на самые глубокие оптические изображения М31 и учитывая все, что мы знаем о внешних галактиках, сейчас кажется очевидным, что эта туманность – автономная и далекая звездная система. Однако это было совсем не так очевидно в прошлом, и нельзя недооценивать, насколько важен этот прорыв в нашем понимании Вселенной. Как и со всеми теориями и моделями Вселенной, прошлыми и современными, мы постоянно стремимся эмпирически проверить, подтвердить и опровергнуть наши гипотезы независимо от того, что говорит нам внутренний инстинкт.

Когда астрономы начали исследовать все больше ближайших галактик – те из них, что расположены достаточно близко к Млечному Пути и, соответственно, достаточно ярки, чтобы их можно было обнаружить с помощью телескопов начала XX века, – было открыто еще более удивительное явление. Оказалось, что свет от далеких галактик более красный, чем ожидалось. И я говорю не о смутной разнице в оттенках: весь свет, излучаемый далекой галактикой, систематически сдвигался к более длинным, то есть более красным, волнам. Отчетливее всего этот эффект проявляется в спектрах галактик, являющихся астрономическим эквивалентом отпечатков пальцев.

Сила спектроскопии