Вселенная. Путешествие во времени и пространстве

Решая школьную задачу, например, на сколько градусов нагреется вода, если поместить туда горячий кусок известного нам металла известной массы, не требуется каждый раз проверять решение задачи экспериментально. Используемые формулы столько раз проверялись на практике, что нет сомнений в их правильности. Сегодня так получается и в астрофизике. Отработанные за полтора столетия методы дают верные совпадающие результаты.

Кроме того, неправильная теория рано или поздно даст неверные предсказания, не в этом, так в другом случае. Одни и те же формулы используются в разных случаях, и если бы там была ошибка, обязательно проявился бы неверный ответ. Если же прогнозы, основанные на расчетах, всегда совпадают с теорией, — нет оснований не доверять теории.

Спектральный анализ позволяет определять не только температуру удаленных источников света. Спектры несут в себе и информацию о химическом составе источника излучения.

Сегодня мы знаем, что атомы вещества имеют свойства поглощать свет — каждый тип атомов на своей, вполне определенной, длине волны. Если взять спектр Солнца (или любой другой звезды), можно увидеть, что он пересечен множеством темных линий. Они называются линиями Фраунгофера — имя замечательного немецкого оптика уже упоминалось в этой книге.

Поскольку спектр — это разложение света по длинам волн, каждой длине волны соответствует свой участок спектра (своего цвета). И если, например, во внешних слоях звезды присутствует много атомов водорода, а атомы водорода имеют свойство поглощать свет на вполне определенной длине волны, понятно, что в спектре на этой длине волны будет меньше света. Часть света на этой длине волны оказалась поглощенной атомами водорода. Значит, опытный спектроскопист, анализируя спектр, увидит на этом месте недостаток света в спектре — темную линию Фраунгофера на длине волны, соответствующей поглощению света водородом, и скажет: «Ага! На этой звезде есть водород». Темные линии (их еще называют линиями поглощения) Фраунгофера похожи на отпечатки пальцев разных химических элементов. Если на спектре звезды видны линии, порожденные атомами железа, кислорода, кальция и так далее — это означает, что есть такие атомы в раскаленной оболочке звезды.

Более того. Нетрудно догадаться, что если атомов того или иного элемента там много, то и линия поглощения, принадлежащая этому элементу, будет более «мощной» (атомы «съедят» больше света на этой длине волны).

Теория линий поглощения физиками сейчас разработана детально. Анализируя спектральные линии, можно получить немало «зашитой» в спектре информации об источнике излучения. Дело это непростое (теория звездных спектров, технология их обработки и анализа достаточно сложны), но оно стоит усилий: благодаря анализу линий Фраунгофера мы можем определить химический состав Солнца и любой другой звезды! При этом расстояние до звезды не играет роли.

Итак, благодаря спектральному анализу человечество узнало то, о чем писал в 1835 году Огюст Конт, утверждая, что мы этого не узнаем никогда. Замечательно, что к тому времени Фраунгофер уже двадцать лет как открыл линии поглощения в спектрах. Но люди еще не знали, что это «метки», которые оставили атомы разных элементов в спектре Солнца.

В 1859–1862 годах теория спектрального анализа и методика определения химического состава далеких источников света была подробно разработана. Огромный вклад в эти исследования внесли немецкий физик Густав Кирхгоф (1824–877) и немецкий химик Роберт Бунзен (1811–1899). Наверно, не стоит пояснять, что спектральный анализ прошел испытание на лабораторных источниках и уже затем был ­перенесен «на небо».

Оказалось, что на вид спектральных линий влияют условия, которые царят там, где был испущен свет. Эксперименты показали, что некоторые линии поглощения могут расщепляться (раздваиваться и даже растраиваться) под воздействием магнитного поля — если оно есть там, откуда пришел свет. Это явление получило название эффект Зеемана (его открыл голландский физик Питер Зееман (1865–1943), один из первых в истории удостоенный Нобелевской премии по фи­зике). Обнаружение эффекта Зеемана в спектрах пятен на Солнце позволило открыть солнечные магнитные поля.

Расщепление линий Фраунгофера в магнитном поле. На нижних рисунках показаны различные проявления эффекта для линий поглощения в магнитном поле.