Извечные тайны неба

В 1802 г. англичанин Волластон обнаружил на фоне непрерывного солнечного спектра семь узких темных линий. Эти линии привлекли внимание немецкого оптика, строителя телескопов Йозефа Фраунгофера.

Крупным недостатком линзовых телескопов-рефракторов долгое время оставалось окрашивание изображения, которое получалось из-за разложения света в спектр при прохождении через стеклянный объектив. Значительно ослабить этот недостаток можно, собирая объектив из двух или нескольких линз, сделанных из стекол с различными коэффициентами преломления.

С целью лучшего подбора оптических стекол для объективов Фраунгофер углубился в точные определения их коэффициентов преломления. Но ему постоянно мешала неопределенность, к какому именно виду света – красному, желтому или синему – отнести результат измерений.

Йозеф Фраунгофер, оптик и физик, прожил недолгую жизнь, но успел оставить яркий след в истории науки. Имея богатый практический опыт, он в тридцать лет становится совладельцем оптико-механической фирмы, которая снабжала совершеннейшими в то время астрономическими инструментами всех ведущих астрономов мира. Нам предстоит рассказать о Фридрихе Бесселе и В. Я. Струве: оба этих выдающихся астронома XIX века широко оснащали свои обсерватории астрономическими инструментами работы Фраунгофера.

Во время экспериментов в 1814 г. Фраунгофер вслед за Волластоном убедился, что солнечный спектр испещрен множеством темных линий, положение которых в спектре, так же как и линий излучения в линейчатом спектре, остается строго определенным и неизменным. Это открытие очень помогло Фраунгоферу, который стал свои измерения коэффициентов преломления всегда относить к каким-либо определенным темным линиям.

Значение темных линий в солнечном спектре, получивших название фраунгоферовых, было выяснено впоследствии совместными усилиями немецкого физика Кирхгофа и химика Бунзена. Раскладывая в спектр луч света, прошедший через холодный газ, они обнаружили на фоне непрерывного спектра темные линии поглощения точно в тех же местах, где находятся линии излучения, характерные для этого же газа в нагретом состоянии.

Сравнение участка спектра Солнца (вверху) с лабораторным спектром железа (внизу). В непрерывном спектре Солнца видны линии поглощения, многие из которых соответствуют линиям излучения в спектре железа

В результате открытия спектра поглощения существование фраунгоферовых линий в солнечном спектре сразу же получило исчерпывающее объяснение. Эти линии являются линиями поглощения паров различных химических элементов и соединений, расположенных между источником непрерывного спектра – яркой поверхностью Солнца – и спектральным прибором.

В дальнейшем выяснилась двойственная природа фраунгоферовых линий: часть из них обусловлена поглощением света молекулами азота, кислорода, воды и углекислого газа при прохождении через земную атмосферу, другая часть – поглощением света во внешней, очень разреженной газовой оболочке Солнца. Изучая именно эту, вторую часть спектральных линий поглощения в спектрах звезд, и удалось сделать первые шаги в изучении химической и физической природы далеких небесных тел.

Большие заслуги в развитии спектрального анализа применительно к астрофизическим задачам принадлежат выдающемуся русскому астроному А. А. Белопольскому.

Несмотря на кажущееся однообразие звездных спектров, они чрезвычайно различны в деталях. Было установлено, что это разнообразие происходит не столько от различий в химическом составе звезд, содержащих преимущественно водород и гелий, сколько от физических условий, в которых находится их излучающая поверхность, и в первую очередь от ее температуры.

По смещению линий к красному или фиолетовому концу спектра по эффекту Доплера – Физо стало возможным судить о скорости приближения или удаления излучающего тела по лучу зрения.

Как сказал поэт, «распялив луч в трехгранности стекла», наблюдатель звездного неба

… Сквозь трещины распластанного спектра

Туманностей исследовал состав,

Хвостов комет и бег миров в пространстве…

С помощью спектрального анализа оказалось возможным дать подробную классификацию всех наблюдаемых на небе звезд.

Джон Гершель (1792-1871), сын великого астронома Вильяма Гершеля и сам выдающийся астроном, похоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с Исааком Ньютоном. Он был одним из пионеров внедрения фотографии в астрономические исследования, первым применил гипосульфит в качестве закрепителя и ввел термины негатив и позитив. Снимок Джона Гершеля в преклонном возрасте является одним из первых в мире художественных фотопортретов