Вселенная. Путешествие во времени и пространстве

Для дальнейшего повествования чрезвычайно важен еще один эффект, применяемый в арсенале спектрального анализа. Речь идет об эффекте Доплера, открытом в 1842 году и, на первый взгляд, не имевшем никакого отношения к астрономии. Работавший в Праге австрийский физик и профессор математики Христиан Доплер (1803–1853) провел интересное исследование. Если поезд проходит мимо станции, тон его свистка (гудка) будет казаться выше наблюдателю на перроне, пока поезд приближается, и ниже, когда локомотив, пройдя мимо наблюдателя, начнет от него удаляться. Те, кто пользуется железной дорогой, безусловно, замечали, как резко меняется тон свистка встречного поезда, когда приближающийся локомотив превращается в удаляющийся.

Утверждается, что для проверки эффекта Доплер провел в 1845 году впечатляющий эксперимент. На ­перроне стояли люди с музыкальным слухом, а паро­воз провозил мимо них платформу, на которой играл духовой оркестр. Тон звука изменялся — он зависел от того, приближается или удаляется источник звука. Эксперты подтвердили, что так оно и есть.

В 1845 году Кристиан Бёйс-Баллот экспериментально проверил теорию Доплера. Наняв паровоз с грузовым прицепом и разместив на прицепе двух трубачей, он устроил «концерт на рельсах» — поставил им задачу попеременно играть ноту соль, чтобы звук не прерывался. На платформе между Амстердамом и Утрехтом Бёйс-Баллот поместил группу наблюдателей с отличным музыкальным слухом.

Но какое отношение все это имеет к астрономии? Французский физик Арман Физо (1819–1896) доказал, что эффект Доплера должен проявляться не только в звуковых, но в любых волнах! Если свет — это электромагнитные волны (а в ХIX веке это уже стало ясно), то длина волны должна меняться в зависимости от того, к нам или от нас движется источник ­света. Если сравнить спектр неподвижного лабораторного источника света и спектр источника, движущегося от нас, мы обнаружим, что все линии Фраунгофера сместятся в сторону более длинных волн (к красному концу спектра). Это смещение будет называться красным. ­Более того, по простой формуле можно определить, с какой скоростью от нас удаляется источник света.

Точные измерения показали, что, например, линии в спектре, полученном от восточного края солнечного диска, смещены в «синюю» сторону, а линии от западного края — в «красную» сто­рону. Это означает, что Солнце вращается вокруг своей оси: вещество на восточном крае к нам приближается, спектр демонстрирует синее смещение, а вещество на западном крае от нас удаляется (здесь наблюдается красное смещение). Так была независимым способом определена скорость вращения Солнца, и результат прекрасно совпал с данными, полученными по измерениям смещения трассеров на Солнце — например, солнечных пятен.

Красное смещение — сдвиг спектральных линий химических элементов в длинноволновую сторону (красный цвет спектра) Синее смещение — сдвиг спектральных линий в коротковолновую сторону (синий цвет спектра).

Итак, эффект Доплера позволяет определять скорость источника света вдоль луча зрения — к нам или от нас. Чем совершеннее спектрограф, которым оснащен телескоп, тем точнее можно измерить относительный сдвиг линий поглощения в спектре и вычислить скорость удаления или приближения источника света.

Таким образом в середине XIX века были заложены основы нового мощного метода изучения далеких небесных светил — спектрального анализа. Повторим еще раз: разлагая в спектр свет далекой звезды, можно получить информацию о химическом составе звезды, скорости, с которой к нам или от нас движется звезда, температуре поверхности звезды и магнитном поле, которое на ней существует.

Измеряя изменение скорости во времени, можно определить период обращения одной звезды вокруг другой[21] (если это двойная система), а по периоду и характеру изменения скорости судить об орбите звезды, ее вытянутости и отношении масс двух звезд, входящих в систему (для этого применяются законы Кеплера). Это еще далеко не полный список тех свойств далекого объекта, который можно получить, анализируя приходящий с огромных расстояний свет. Современные наблюдения на мощных телескопах, оснащенных точной совершенной аппаратурой, позволяют определять размеры, массу, плотность, наличие или отсутствие атмосферы, оценивать температуру планет, вращающихся вокруг далеких звезд, даже в том случае, если эти планеты вообще не видны в телескоп как отдельные объекты! Воистину, критическое мышление, вооруженное современными технологиями, а также большой объем накопленных знаний позволяют добиваться удивительных результатов.

Все эти методы, основа которых была заложена в XIX веке, быстро совершенствовались. Улучшались и инструменты (телескопы, оснащенные спектральными приборами). Астрономия стремительно развивалась, и поток достоверной информации о небесных телах увеличивался. В начале ХХ века люди уже очень много знали о мире, в котором мы живем.