Как можно понять, что происходит во Вселенной, если мы не можем даже приблизиться к звёздам? С этого вопроса началась лекция в Ельцин Центре в Екатеринбурге, посвящённая методам астрономических исследований. Её прочитал 5 июня Дмитрий Вибе — популяризатор науки, профессор, заведующий отделом физики и эволюции звёзд Института астрономии РАН.
Учёный сразу сделал оговорку: в отличие от физики, астрономия — наука наблюдательная, и экспериментов она почти не знает. А значит, приходится доверять только свету, приходящему из глубин космоса, накопленным человечеством знаниям и логике.
«Вся наша уверенность основана на одном большом предположении: во всей Вселенной действуют одни и те же физические законы», — сказал Дмитрий Вибе.
Это утверждение — основа всей астрофизики. Благодаря ему астрономы экстраполируют выводы из земных экспериментов на звёзды, галактики и чёрные дыры. И каждый шаг требует проверки: совпадает ли модель с тем, что видно в телескоп?
От ретроградного движения планет к законам Кеплера
«Ретроградный Меркурий». Сегодня это словосочетание часто используется эзотериками, чтобы «объяснить» происходящие в жизни события. В истории же науки это загадочное движение планет — они то идут по небу вперёд, то вдруг откатываются назад — стало камнем преткновения, о который разбилась геоцентрическая модель мироздания.
Древние и средневековые астрономы, пытаясь сохранить и доработать модель с Землёй в центре Вселенной, пытались усложнить схему. К круговым орбитам Венеры, Марса и других небесных тел, якобы вращающихся вокруг нашей планеты, они достраивали дополнительные окружности, так называемые эпициклы. Но всё было тщетно — модель не выдерживала проверкой наблюдением.
Прорывом стали даже не идеи Николая Коперника, а модель астронома и математика XVI-XVII века Иоганна Кеплера, согласно которой планеты движутся по эллиптическим орбитам вокруг Солнца. Позже Исаак Ньютон дал этому физическое основание — закон всемирного тяготения.
«Когда по этой модели удалось предсказать возвращение кометы Галлея, сомнений уже не осталось: это работает», — рассказал Дмитрий Вибе.
Как далеко до звёзд?
Долгое время звёзды считались принципиально непознаваемыми. Французский философ Огюст Конт в 1835 году писал: «Мы никогда не узнаем, что такое звезды». Однако это утверждение было совсем скоро опровергнуто. Всё началось с измерения расстояний: параллакс, смещение звезды на небе при движении Земли, позволил впервые вычислить, как далеко находится Вега, Альфа Центавра и 61 Лебедя. Случилось это в 1837, 1838 и 1839 годах. По словам Джона Гершеля, сына первооткрывателя Урана Уильяма Гершеля, «стена, отделявшая нас от Вселенной, была пробита сразу в трёх местах».
Теперь астрономы знают расстояния до миллиардов звёзд — благодаря проекту Gaia, в котором наблюдения ведутся с помощью космического телескопа. Зная расстояние, можно высчитать светимость, температуру и радиус звезды. А также понять, как светила меняются со временем.
Свет как ключ ко всему
Первый в истории физический параметр звезды ввёл в обиход Гиппарх — звёздная величина. С её помощью до сих пор оценивают яркость небесных светил. Древний астроном разделил все звезды на 6 категорий, в которой первая величина — самые яркие звезды, шестая — самые тусклые из видимых невооружённым глазом.
Когда астрономы научились определять расстояния, шкалу пересчитали: теперь самая яркая звезда ночного неба, Сириус, имеет звёздную величину примерно −1,46.
Люди давно заметили, что видимая яркость некоторых звёзд сильно меняется. Эти колебания стали важным ключом к познанию их природы. Например, падение яркости может говорить о том, что у звезды есть звезда-спутник или планета, которые временно загораживают её свет.
Ещё одно важное наблюдение с многовековой историей — то, что у звёзд на небе разный цвет: есть жёлтые, красные, голубые. «Цвет звезды — это физическая величина, — напоминает Вибе. — Свет — это энергия. Чем меньше длина волны, тем больше энергии несёт излучение».
Например, максимум излучения Солнца приходится на видимый диапазон, что неудивительно. А если говорить языком измерительных приборов, это длина волны примерно 500 нанометров. Зная эту величину и расстояние до Солнца, учёные смогли измерить температуру его поверхности — примерно 5800 градусов Кельвина.
Всё дело в спектре
Зная температуру и светимость, можно вычислить и размер звезды. А если заглянуть глубже — в спектральные линии, можно понять, из чего звезда состоит, есть ли у неё спутники и куда она движется.
Впервые спектр Солнца получил Исаак Ньютон с помощью треугольной призмы. А в 1802 году английский химик Уильям Волластон обратил внимание на то, что на фоне этой радуги наблюдаются отдельные чёрные провалы — спектральные линии. Сейчас мы различаем сотни тысяч этих линий и знаем, что каждая — отпечаток атома или молекулы.
Астрономы научились получать спектры не только Солнца, но и других звёзд, туманностей и галактик. Именно по этим линиям определяют химический состав далёких объектов — и выясняют, что они содержат водород, гелий, железо и иные химические элементы.
Также по спектральным линиям определяют температуру, давление, магнитные поля. По еле заметным смещениям в спектре можно понять не только, вращается ли звезда, но и есть ли у неё планеты. А эффект Доплера — сдвиг линий в красную или синюю стороны спектра — позволяет узнать, движется ли объект к нам или от нас.
Радио, нейтрино и гравитационные волны
Когда-то излучение изучали только в видимом диапазоне. Теперь астрономия стала всеволновой: от гамма-лучей до радиоволн. Радиоастрономия появилась почти случайно, когда во время Второй Мировой инженер-радиотехник Карл Янский пытался локализовать источники помех для радиосвязи — и нашёл излучение центральной области нашей галактики на длине волны 14,6 метров.
В радиодиапазоне исследуют холодное вещество — облака пыли, где рождаются звёзды. А гравитационные волны, недавно открытые, позволяют заглянуть в мир чёрных дыр и нейтронных звёзд. Нейтрино же несут информацию из самого центра Солнца — они проходят сквозь вещество за 8 минут, в то время как фотонам, чтобы подняться на поверхность, нужны сотни тысяч лет.
Астрономия моделирует Вселенную
Опираясь на знание физических законов, с помощью суперкомпьютеров и симуляций современные астрономы воспроизводят эволюцию звёзд, туманностей, галактик. Сравнивая расчёты с наблюдениями, они уточняют модели — и иногда их меняют.
«Хорошие модели тоже иногда оказываются неверными, — напоминает лектор. — Именно это делает астрономию живой наукой. Она не просто объясняет видимое. Она умеет предсказывать».
Сегодня астрономия сталкивается с новыми трудностями. Световое загрязнение мешает наблюдениям. Спутники Starlink — серьёзная помеха как оптическим, так и радиотелескопам. Даже крупнейшие обсерватории в труднодоступных Андах испытывают давление со стороны цивилизации, когда рядом с ними вдруг начинается строительство технопарка.
Но у астрономии остаётся романтика. Сегодня можно построить телескоп из пластиковой трубы, купленной в строймаркете, и увидеть кратеры на Луне через телефон. «Любой, кто хочет, может попытаться подтвердить для себя, что астрономическая картина мира — верна», — говорит Дмитрий Вибе.
«Книга природы написана на языке математики», — цитирует Галилея лектор. Астрономия — наука о невозможном, где нельзя подойти к объекту, но можно понять его суть. И знание о том, как всё устроено, становится глубже с каждым днём.
