Противоречивые паттерны данных

Конечно, задним числом нам известно, как развивался этот сюжет. Порывшись на свалке истории, легко извлечь оттуда тех, кто опередил свое время, чем я до сих пор и занимался. Однако за два последующих столетия астрономы так и не разгадали загадку туманностей. Здесь возникает еще одна проблема: в некотором смысле обе теории верны. С одной стороны, в нашей галактике есть масса феноменов, которые проявляются как размытые пятна на ночном небе: кометы, газовые облака, шаровые и рассеянные звездные скопления, планетарные туманности, древние новые и сверхновые звезды, которые взрываются и оставляют после себя только газовую оболочку, и т. п. С другой стороны, подавляющее большинство объектов из каталога Мессье, названных туманностями, в действительности представляют собой острова вселенной, целые галактики звезд, удаленных от галактики Млечный Путь на гигантские расстояния. Задача различения этих двух категорий небесных объектов сводится к получению более точных данных и уточненной теории. Второе следует за первым, а первое напрямую зависит от технологий конструирования телескопов.

В 30‑х годах XIX века ирландский дворянин Уильям Парсонс, третий лорд Росс, сконструировал тридцатишестидюймовый телескоп. В окуляр он едва сумел разглядеть спиральные рукава М51 – пятьдесят первого объекта из каталога Мессье, чем удивил всех, потому что даже те, кто соглашался с теорией островов вселенной, не имели никакого представления о строении других галактик, не говоря уже о нашей. Галактика, получившая название «Водоворот», словно указывала на движение рукавов вокруг центральной оси, напоминающее движение воды в водовороте, отсюда и название.[365]В 1846 году сторонник теории островов вселенной Джон Никол предположил, что некоторые туманности «находятся в таких глубинах космоса, что никакое излучение от них не достигает Земли, кроме как после путешествия по отделяющим ее безднам, по прошествии множества веков, поражающих воображение».[366]В воображении Никола время в пути должно было составлять не менее тридцати миллионов лет. Эта цифра и вправду поражала, учитывая распространенное в то время мнение, согласно которому библейские события происходили десять тысячелетий назад. В глубине души многие ученые сомневались в этом, но никто из них не знал, насколько далеки от истины их просвещенные догадки. Как выяснилось, речь шла о порядках величины, об очень глубинном ретроспективном времени.

И мы вновь забегаем вперед, выбирая предполагаемых борцов за истину. Существовала и масса других свидетельств против теории островов вселенной, и ни одно из них не выглядело убедительнее продемонстрированного с помощью нового устройства, разлагающего свет на элементарные составляющие. Как доказал Исаак Ньютон еще в XVII веке, если пропустить обычный свет через стеклянную призму, его можно разложить на составляющие цвета. За несколько веков ученые обнаружили, что если увеличить полосу этих цветов, то можно увидеть вертикальные линии, соответствующие элементам в веществе предмета, излучающего этот свет. Например, если нагреть какой‑либо элемент так, чтобы он раскалился и начал излучать свет, то при пропускании этого света через призму и увеличении его мы увидим характерный набор линий, соответствующих только этому элементу и никакому другому, всегда и везде.

Устройство, о котором идет речь, называется спектроскоп, его впервые применил немецкий оптик Йозеф Фраунгофер. Он присоединил примитивный спектроскоп к своему телескопу и заметил, что схожие последовательности линий появляются в спектре Солнца, Луны и планет, что следовало из факта, что Луна и планеты отражают солнечный свет. Но когда Фраунгофер проанализировал линии других звезд, то обнаружил, что их паттерны выглядят иначе. Значит, свет звезд исходит из другого источника? Несколько десятилетий спустя физик и химик Роберт Бунзен («бунзеновская горелка») изучил с помощью своего спектроскопа пламя местного пожара и обнаружил в нем барий и стронций. Другие ученые последовали его примеру, изучая спектр всевозможных нагретых элементов, и таким образом родились технологии спектроскопии и спектрального анализа, а также наука астрофизика. Составляя каталоги характерных линий спектра для земных элементов, астрономы получили возможность направлять спектроскопы (в сочетании с телескопами) на звезды, а в итоге и на туманности, чтобы определять их состав.

В воображении Никола время в пути должно было составлять не менее тридцати миллионов лет. Эта цифра и вправду поражала, учитывая распространенное в то время мнение, согласно которому библейские события происходили десять тысячелетий назад.

В 1861 году физик Густав Кирхгоф изучил спектр ближайшей к Земле звезды, Солнца, и обнаружил в нем линии, соответствующие натрию, кальцию, магнию, железу, хрому, никелю, барию, меди и цинку. 29 августа 1864 года английский астроном‑любитель Уильям Хаггинс направил спектроскоп на свет, исходящий от ярких звезд Бетельгейзе и Альдебаран, и различил в их спектре железо, натрий, кальций, магний и висмут, подтвердив, что Солнце – всего лишь звезда, или, наоборот, что звезды относятся к тому же виду небесных объектов, что и Солнце. Но затем Хаггинс завел спорщиков в тупик, выполнив спектральный анализ одной из планетарных туманностей Гершеля и обнаружив только одну характерную линию.

Поначалу я предположил, что призма сместилась и что я смотрел на отражение освещенной щели… а затем меня вдруг осенило. Загадка туманностей разгадана. Ответ, который пришел к нам с самим светом, звучал так: не группа звезд, а светящийся газ. Звезды порядка нашего Солнца и более яркие дали бы другой спектр; свет этой туманности явно излучал светящийся газ.[367]

«Небулярная гипотеза сделана видимой»

Благодаря этим новым данным маятник качнулся в обратную сторону, в пользу теории туманностей как внутренних галактических структур; кое‑кто полагал, что, возможно, туманности – звездные и планетарные системы в процессе развития. Демонстрируя влияние этой концепции на восприятие, в 1888 году сравнительно новая технология астрофотосъемки была представлена на ежегодном собрании Королевского астрономического общества наряду с показом эффектного снимка Андромеды, после чего астрономы провозгласили, что «небулярная гипотеза сделана видимой!» Грандиозную Андромеду вновь отнесли к окраинам нашей галактики. Даже открытие новой звезды в галактике Андромеды, послужившее дополнительным свидетельством ее внегалактического происхождения, было воспринято сквозь призму небулярной гипотезы как аномалия: сам факт, что она затмевала целую туманность «энергией примерно пятидесяти миллионов солнц», как писал один астроном, означал, что она просто не могла быть взрывающейся звездой в далекой галактике. Вместо этого было высказано предположение о возможном «внезапном преобразовании туманности в звезду», в итоге небулярная гипотеза уцелела. «Вопрос о том, являются ли туманности внешними галактиками, едва ли требует дальнейшего обсуждения, – провозгласила астроном Агнес Клерк в своем исчерпывающем труде 1890 года «Система звезд» (The System of the Stars). – На него ответил прогресс открытий. Ни один сведущий мыслитель, располагающий всеми доступными свидетельствами, не сможет теперь с полной уверенностью утверждать, что конкретная отдельно взятая туманность может быть звездной системой координат того же уровня, что и Млечный Путь».[368]

Теперь нам не помешает вспомнить первый закон Артура Кларка: «Когда уважаемый, но пожилой ученый утверждает, что что‑то возможно, он почти наверняка прав. Когда он утверждает, что что‑то невозможно, он, весьма вероятно, ошибается».[369]По мере приближения к ХХ веку мы обнаружим, что прогресс открытий говорит в пользу Кларка, а не Клерк, начиная с выполненного в 1899 году спектрального анализа Туманности Андромеды немецким астрономом Юлиусом Шайнером. Шайнер сравнил спектры Андромеды и Ориона, который в то время уже был признан облаком межзвездного газа. Спектр Андромеды в большей степени напоминал спектр гигантского скопления звезд, а не просто газового облака. С целью проверки этой гипотезы в 1908 году астроном Ликской обсерватории близ Сан‑Хосе, Калифорния, Эдвард Фэс проанализировал спектр шаровых звездных скоплений и заметил сходство со спектром Андромеды. Шах и мат, по мнению Фэса: «Гипотезу о том, что центральную часть туманности, например, такой известной, как Андромеда, составляет единственная звезда, можно отвергнуть сразу, если только мы не хотим в значительной мере изменить общепринятые представления о том, что такое звезда».[370]Но поскольку точного и надежного способа измерить расстояние до таких небесных объектов еще не существовало, Фэс так и не смог определить, чем является Андромеда – ближайшим шаровым звездным скоплением или далеким островом вселенной.

«Когда уважаемый, но пожилой ученый утверждает, что что‑то возможно, он почти наверняка прав. Когда он утверждает, что что‑то невозможно, он, весьма вероятно, ошибается». – Артур Кларк.

«Весомое свидетельство в пользу широко известной теории «островов вселенной»

Последние детали этой загадочной небесной мозаики сложились в Калифорнии, сначала в Ликской обсерватории, а затем в Маунт‑Уилсон, в двух первых в мире обсерваториях на вершинах гор, в свое время находившихся в авангарде изучения дальнего космоса и ретроспективного времени. В конце XIX века баснословно богатый промышленник Джеймс Лик в поисках самого внушительного и большого памятника, которому можно было бы присвоить его имя, выделил миллион долларов на строительство обсерватории на горе Гамильтон в горной цепи Дьябло, чуть удаленной вглубь материка от Сан‑Хосе. В этой обсерватории был воздвигнут «Большой ликский телескоп‑рефрактор» – тридцатишестидюймовое стекло на конце на удивление узкой трубки, – который до сих пор остается одним из прекраснейших астрономических приборов, поистине олицетворением элегантности в науке. Этот телескоп, один из последних больших рефракторов, использовался главным образом для изучения планет и звезд – занятия, которому астрономы посвящали себя полностью. Поэтому когда в обсерваторию пришел работать молодой и перспективный астроном Джеймс Килер, специализировавшийся на спектроскопии, его отправили на другой конец долины, к другой горе, где во второстепенной обсерватории помещался отнюдь не элегантный рабочий телескоп‑рефлектор с тридцатишестидюймовым зеркалом и образующими костяк опорами вместо трубки.

Этот переход от старого к новому, от рефракторной линзы к отражающему зеркалу, был не просто символичным (рис. 19). Размеры линзы были ограничены ее весом, так как опираться она могла только по краям. Со временем она начинала проседать и давать искажения. А зеркало можно было полностью поддерживать снизу, поэтому телескоп‑рефлектор удавалось сделать достаточно большим, чтобы улавливать драгоценные немногочисленные фотоны света, прибывающие из дальних уголков вселенной. Телескоп Кроссли, названный по фамилии богатого производителя ткани, который купил этот телескоп в 1885 году, а затем пожертвовал Ликской обсерватории, имел еще одно преимущество для специалиста по спектрографии: стеклянные линзы выборочно поглощали волны одной длины лучше, чем волны всех остальных длин, ограничивая масштабы и качество спектрального анализа, в то время как зеркало отражало в равной степени волны любой длины, представляя более точное отображение содержимого таинственных туманностей.[371]

Одним из первых снимков с длительной экспозицией, сделанных Килером с помощью телескопа Кроссли, стал спорный снимок галактики М51 «Водоворот», поразивший даже самых консервативных астрономов явной спиральной формой, подразумевающей движение, а также внутренней структурой в виде выраженных рукавов. В качестве дополнительного преимущества четырехчасовая экспозиция выявила семь ранее неизвестных туманностей, указывая, что их гораздо больше, чем можно было вообразить ранее. Со временем каталог Мессье был вытеснен Новым общим каталогом (NGC), в котором упомянуты тысячи туманностей. Направляя телескоп Кроссли на разные участки неба и снимая с длительной экспозицией то один, то другой объект из Нового общего каталога, Килер увидел паттерн: сплющенные диски со спиральными рукавами, вращающимися вокруг яркого центра. На фоне находились бесчисленные, еще не внесенные в каталог мельчайшие светящиеся пятнышки. Сегодня мы назвали бы эту картину фрактальным паттерном: с каждым увеличением конкретного участка неба появлялся схожий паттерн рассеянных туманностей, находящихся позади основной цели, взятой в видоискатель. Экстраполируя полученные данные, в среднем три туманности на квадратный градус неба, Килер определил, что таких небесных сфинксов должно насчитываться не менее 120 тысяч, но втайне подозревал, что их гораздо больше, возможно, на порядки.

a. Телескоп Кроссли в Ликской обсерватории снабжен тридцатишестидюймовым зеркалом в нижней части и вторым зеркалом в верхней части трубки, вместе они отражают сфокусированный свет в окуляр или спектроскоп сбоку от трубки. С помощью этого прибора Джеймс Килер сумел изучить тысячи туманностей. Фото автора.

b. Одной такой туманностью была NGC 891 (891‑й объект в Новом общем каталоге объектов дальнего космоса), которая, как оказалось при ближайшем рассмотрении, содержит многие другие туманности, из чего Килер сделал вывод, что они представляют собой обособленные «острова вселенной» за пределами галактики Млечный Путь. Увеличенный фрагмент, на котором отдельные туманности обозначены стрелками и видны три яркие звезды, соответствует верхнему правому углу широкоугольного снимка галактики NGC 891. Снимок любезно предоставлен Ликской обсерваторией.

Рис. 19. Телескоп из Ликской обсерватории и открытые с его помощью туманности

И опять‑таки задним числом нам остается лишь гадать, как Килер и его коллеги не сразу сделали вывод о спиральных рукавах как бесчисленном множестве чрезвычайно далеких звезд, однако в то время преобладала теория образования звезд, согласно которой сжимающаяся туманная масса вращалась при сжатии, таким образом у планет появлялись общая плоскость и направление вращения вокруг звезды, как мы видим на примере нашей Солнечной системы. В этом и заключается проблема выявления паттерна и проверки гипотезы, чтобы определить, что именно представляют паттерны туманностей – развивающиеся звездные и планетарные системы в пределах нашей галактики или далекие галактики как острова вселенной. Килеру с его способностями к астрофотосъемке и спектроскопии понадобилось бы совсем немного времени, чтобы провести решающий эксперимент с телескопом Кроссли и определить, какой из паттернов реален, однако он скоропостижно скончался в возрасте сорока двух лет в августе 1900 года, а его труд в 1910‑е годы продолжал Гебер Кертис, стремясь опередить астрономов из Маунт‑Уилсон в гонке, призом в которой должна была стать сама вселенная.

Кертис классифицировал туманности по характеристикам – пятнистая, ветвистая, неправильная, удлиненно‑овальная, симметричная – и не прекращал поиски значимого паттерна среди данных, который указал бы на правильную гипотезу. В надежде оценить вращение он начал с повторного фотографирования спиралей, уже снятых Килером несколько лет назад. Ничего не обнаружив, Кертис пришел к выводу: «Невозможность обнаружить какие‑либо свидетельства вращения указывает на то, что размер спиралей должен быть поистине колоссальным, как и удаленность от нас». Или туманности находятся неподалеку и не вращаются – кто знает? Джордж Ричи – вот кто. В 1917 году сделанный им с длительной экспозицией снимок объекта NGC 6946, увиденного в новый шестидесятидюймовый телескоп Хейла в Маунт‑Уилсон (телескоп назван в честь астронома Джорджа Эллери Хейла, конструктора крупнейших телескопов мира, установившего один из них там), помог обнаружить вспышку новой звезды. Это выяснилось при сравнении с прежними фотографиями того же объекта. По сравнению с новой звездой, найденной в 1885 году в Туманности Андромеды, находка оказалась в 1600 раз тусклее, из чего Ричи сделал вывод, что она находится в 1600 раз дальше. Разумеется, если это не две разновидности новых звезд, потусклее и поярче (так и оказалось), для которых требовались больше данных и усовершенствованная теория. Кертис продолжал работу, фотографировал ранее обнаруженные туманности и сравнивал снимки в поисках новых светящихся точек. Он нашел их и заключил, что одна конкретная должна находиться на расстоянии не менее двадцати миллионов световых лет, что побудило его отметить: «Новые звезды спиральных рукавов служат веским свидетельством в пользу широко известной теории «островов вселенной».[372]

Вопрос мог бы считаться решенным, если бы не отсутствие надежного метода измерения расстояний. Как отмечал британский астроном Э. К. Кроммелин в своем всеобъемлющем труде 1918 года, взвешивая свидетельства за и против теории островов вселенной, «независимо от того, верна она или ошибочна, эта гипотеза внешних галактик безусловно элегантна и великолепна. Вместо единственной звездной системы она представляет нам тысячу таких систем, из которых одни велики и заметны, а другие едва различимы из‑за их невероятной удаленности. Выводы в науке должны опираться на доказательства, а не на чувство. Однако можно выразить надежду на то, что эта элегантная концепция выдержит проверку дальнейшими исследованиями».[373]

Date: 2016-02-19; view: 343; Нарушение авторских прав