Исследование крупномасштабной структуры вселенной содержание открытия теории

История астрономии. Открытие крупномасштабной структуры Вселенной

Великий английский астроном Вильям (Фридрих Вильгельм) Гершель (1738—1822) вошел в историю науки как знаменитый конструктор уникальных для его эпохи телескопов-рефлекторов с диаметром зеркала почти в 0,5 и 1,5 м, как виртуозный наблюдатель и глубокий мыслитель, основатель звездной астрономии, родоначальник наблюдательного изучения нашей звездной системы — Галактики и открытого им безграничного мира «туманностей». Задуманная Гершелем смелая программа глобальных обзоров неба с целью не пропустить ни одного нового объекта и впервые поставленная астрономом-наблюдателем задача таких обзоров — изучение строения и развития Вселенной главным образом за пределами Солнечной системы — заполнила свыше трех десятилетий его жизни. И хотя уже открытия в Солнечной системе принесли ему мировую славу, основным направлением своих исследований он считал изучение звездной Вселенной, которую он дополнил открытием свыше 2,5 тыс. новых загадочных объектов — туманностей. Гершель применил к изучению звездного неба свои оригинальные методы наблюдений и обработки результатов — массовый сбор материала, для чего придумал способ «звездных черпков», или подсчета числа звезд в избранных площадках неба, для выявления общих закономерностей использовал методы статистики и теорию вероятностей. В мире звезд Гершель установил существование двойных и кратных звезд как физических систем (1802), уточнил оценки блеска у 3 тыс. звезд, обнаружил переменность у некоторых из них, первым отметил различное распределение энергии в спектрах звезд в зависимости от их цвета. Методом «черпков» в результате огромной наблюдательной работы (он сделал более тысячи черпков, причем каждый представлял среднее из измерения нескольких соседних площадок) Гершель к 1785 г. установил общую форму нашей Галактики, довольно точно оценив ее сжатие (1/5) и сделал правильный вывод о ее изолированности в пространстве как одного из «островов» Вселенной. Несмотря на то, что в действительности его телескопы не проникали до границ Галактики (что он и сам понял в результате наблюдений с крупнейшим своим 1,5-метровым рефлектором), даже сравнительно небольшой объем измеренной ее части поражал гигантскими размерами по сравнению с Солнечной системой, и это имело существенное мировоззренческое значение. Недаром на работу 1785 г. сразу и с восторгом откликнулся глубокий мыслитель, физик и астроном Г. К. Лихтенберг. Благодаря Гершелю проблема Млечного Пути из ранга научной картины мира перешла окончательно в ранг объектов непосредственных наблюдательных исследований. Совершенно особой заслугой Гершеля являются его исследования туманностей. Хотя к его времени их было открыто уже около 150, о природе этих объектов высказывались лишь смутные и противоречивые догадки. Сами по себе они все еще мало привлекали внимание астрономов-наблюдателей: наибольший список их — 103 туманности каталога Мессьо (1771) — был составлен лишь для того, чтобы наблюдатели не путали их с кометами при поисках последних. В 1783 г. Гершель познакомился с каталогом Мессье, а уже через год добавил к нему свыше 400 новых подобных объектов, но в среднем раз в сто более слабых и, следовательно, как правило, более далеких, доступных лишь его крупным телескопам. В его трех каталогах (1786, 1789, 1802 гг.), содержащих свыше 2,5 тыс. новых открытых им туманностей и звездных скоплений, четыре пятых составляют далекие звездные системы — галактики, тогда как у Мессье их всего одна треть. Гершель первым стал изучать мир туманностей, увидев в этом путь к познанию не только строения, но также развития, истории окружающей Вселенной. Он впервые попытался измерить нашу звездную Вселенную — Галактику и оценить размеры и расстояния других туманностей, сначала тех круглых, которые разложились в его телескоп на отдельные звезды (шаровые скопления), а по ним и овальных млечных неразложимых, допуская их сходство с нашей Галактикой (которую поэтому предложил называть «Млечный Путь» с большой буквы). Несмотря на сильное занижение измеряемых величин в первые годы (в дальнейшем они в его оценках увеличивались до десятков тысяч световых лет для размеров Галактики и до миллионов световых лет для расстояний млечных туманностей), относительные значения этих величин убедительно рисовали картину именно островных вселенных: расстояния сильно превосходили размеры объектов. Более того, Гершель первым обратил внимание на вытекающий отсюда колоссальный возраст туманностей, и на то, что, наблюдая их, мы как бы путешествуем на миллионы лет назад во времени! Это было первое прямое «опровержение» Библии.

Среди туманностей Гершель также открыл много двойных и кратных и даже связанных перемычками, и истолковал их в эволюционном смысле — как не полностью разделившиеся формирующиеся звездные системы. В 1784 г. Гершель впервые подметил ряд закономерностей крупномасштабной структуры мира туманностей в целом. Он открыл тенденцию туманностей к скапливанию, стремление их располагаться в виде компактных куч и объединяться, кроме того, в еще более крупные протяженные «пласты», состоящие как из отдельных туманностей, так и из их скоплений. Наиболее населенный из открытых им пластов туманностей он назвал «пластом Волос Вероники» — по созвездию, где насчитал более всего туманностей. По описанию Гершеля «пласт Волос Вероники», помимо этого созвездия, проходил по созвездиям Девы, Большой Медведицы, Андромеды и ряду других, располагаясь в целом перпендикулярно Млечному Пути. Гершель предположил даже, что этот «пласт», подобно Млечному Пути, кольцом охватывает все небо. Он действительно оказался северной частью пояса из ярких галактик, выделенного в 1953 г. французским астрономом (ныне работающим в США) Ж. де Вокулёром. Последний назвал его Млечным Путем галактик или экваториальной зоной сверхгалактики, в которую в числе десятков тысяч других входит и наша Галактика. Интерпретация Вокулёра как бы продолжала и подтверждала умозрительную концепцию Канта — Ламберта, по существу, распространивших на всю Вселенную закономерности Солнечной системы с ее иерархией систем спутников и планет. У самого Гершеля, однако, мы не находим идеи иерархии. Гершель не был знаком в то время с этой целостной умозрительной космологической концепцией своих предшественников. Гершель полагал, что огромные пласты туманностей, состоящие из отдельных туманностей и их скоплений (и даже индивидуальных звезд) и формирующиеся под действием сил тяготения (а потому, быть может, даже имеющие разный возраст), по-разному располагаются в пространстве и даже пересекаются друг с другом. Последнее заключение, очевидно, опиралось и на картину непосредственно наблюдавшегося им пересечения пласта Млечного Пути и пласта Волос Вероники (хотя здесь Гершель и упускал из виду разницу масштабов объектов). В этой наблюдаемой им картине Гершель усматривал аналогию с картиной постепенно формирующихся пластов земных пород, в которых раскрывалась история Земли (такие идеи относительно Земли развивали в XVIII в. первые геологи-эволюционисты Ж. Бюффон (1749—1778) и П. С. Паллас (1777)). Высказывания Гершеля о «глобальной» структуре Вселенной туманностей (которые он тогда все считал далекими звездными системами, подобными Млечному Пути), весьма небезынтересно звучат в наши дин, когда постепенно утверждается представление о ячеистой структуре Метагалактики (а справедливость картины иерархии систем ограничивается меньшими областями пространства). В структуре Метагалактики отдельные галактики и их скопления, как выясняется в последние годы, сосредоточены, по-видимому, в узких длинных сверхскоплениях— «волокнах» (филаментах), соединяющих между собой наиболее богатые сверхскопления галактик, располагающиеся в «узлах» объемной сетки. Идея гравитационной конденсации как бы наглядно демонстрировалась при наблюдениях В. Гершелем колоссального разнообразия форм и вида туманностей. В результате он построил в 1791—1811 гг. первую в истории науки общую звездно-космогоническую концепцию развития материи во Вселенной. Далеко не последнюю роль в этом сыграли его философские взгляды, сформировавшиеся в юности под влиянием выдающегося английского философа Джона Локка (1632—1704) — одного из первых материалистов. Еще в 80-е годы XVIII в. Гершель много размышлял над общими проблемами строения и свойств материи, характера и причины различных сил, действующих в природе. В дальнейшем он убедился на собственном опыте астронома — наблюдателя в справедливости идеи развития всех объектов в природе, в том числе космических. Размышляя над причиной колоссального разнообразия внешнего вида млечных туманностей, он пришел к идее «сада», допустив, что эти объекты мы видим в разных стадиях их жизни, подобно деревьям. Под влиянием этой идеи он временно отошел от своих первоначальных более правильных представлений о природе и, следовательно, масштабах туманностей, приняв многие млечные туманности с яркими ядрами за одиночные протозвезды или группы протозвезд. Несмотря на эти конкретные ошибки, сам метод морфологического подхода к изучению состояния космических объектов прочно вошел в астрономию и оказался плодотворным. А гипотеза В. Гершеля о продолжающемся и в наше время постепенном сгущения диффузной материи в отдельные звезды или их группы, а затем в скопления, которые эволюционируют от неправильных к шаровым формам,— стала господствующим в современной астрономии представлением о развитии космической материи (хотя млечные туманности и перестали рассматриваться как примеры такого процесса. Впрочем, то, что среди них есть и далекие млечные пути, отмечал в конце своей жизни и сам Гершель). Одним из первых в XIX в. эту концепцию принял и популяризовал, например, Ф. Д. Араго в своих знаменитых астрономических лекциях (1843). Идея эта в наши дни возродилась в трудах одного из крупнейших советских астрофизиков академика В. А. Амбарцумяна (хотя и с противоположным представлением о самом ходе космогонического процесса — как о дезинтеграции некой сверхплотной материи в звезды). Впрочем, в широкой концепции Гершеля о развитии космической материи сочетались два этих процесса. Высказав глубоко верную идею, что развитие звездного скопления должно идти от неправильного к шаровому за счет неупорядоченных взаимных возмущений движений отдельных звезд в нем (это был зародыш звездной динамики!), Гершель пришел, по существу, к идее «коллапса». Он полагал, что, в конце концов, в таком переуплотненном скоплении звездам приходилось двигаться как бы сквозь атмосферы друг друга. В результате их движение тормозилось и они падали к центру скопления, что и вызывало катастрофический разрушающий скопление взрыв и рассеяние материи во Вселенной. (Такая идея перекликается с современными нам представлениями об эволюции центральных частей галактик.) В связи с вышеописанным Гершель высказал и еще одно интересное соображение — о малой вероятности существования устойчивых планетных орбит в плотных звездных скоплениях (из-за сильных возмущений) и о целесообразности искать»населенные планетные системы лишь вокруг одиночных звезд. Продолжателями дела В. Гершеля стали его сын Джон Гершель (1792-1871), В. Я. Струве (1793-1864) — выдающийся русский астроном, основатель Пулковской обсерватории, и В. Парсонс (1800—1867) — весьма известный ирландский астроном и конструктор еще более крупных инструментов, неточно называемый в нашей литературе «лордом Россом». Первый из них продолжил исследования двойных звезд, удвоил число известных туманностей, продолжил отчасти исследование их распределения. Струве, помимо изучения двойных звезд, значительно продвинулся в изучении Галактики.

В своей ставшей классической книге «Этюды звездной астрономии» (1847) он сообщил об установлении им явления поглощения света в Галактике. Еще раньше, в 1837 г., он опубликовал свое первое в истории астрономии точное определение звездного параллакса и, следовательно, расстояния до звезды (Веги в созвездии Лиры). Если второе сразу было оценено и побудило крупного немецкого астронома Ф. Бесселя продолжить такие же измерения (до этого подобные попытки оставались бесплодными в течение почти двух тысяч лет!), то первое, к сожалению, не было замечено и понято современниками и было переоткрыто в 1930 г., когда многие уже догадывались о существовании межзвездного поглощения света. Игнорирование этого эффекта долгое время затрудняло понимание истинной, внегалактической природы млечных туманностей и способствовало укреплению искаженных представлений о строении Вселенной. С именем Парсонса (Росса) связано открытие в 1845 г. с помощью его колоссального 182-сантиметрового рефлектора (диаметр объектива) новой неожиданной черты туманностей — спиральной структуры (сначала в туманности М 51, затем у многих других. Уже сам Парсонс обратил внимание на то, что такие системы не могут находиться в статическом равновесии, но что их внутренние части обязательно должны вращаться. Перед глазами астрономов как бы материализовались угаданные древними натурфилософами космические вихри. С этим открытием, долгое время интриговавшим ученых, в астрономическую картину мира входило, помимо идеи эволюции, представление о бурных процессах, о резко нестационарных, неравновесных состояниях крупномасштабных космических объектов. Ведь после наблюдений Парсонса, который обнаружил комковатую структуру у многих туманностей, вновь укрепилась на некоторое время идея островных вселенных. Открытие загадочной (все еще не объясненной до конца) спиральной формы у многих туманностей породило в дальнейшем поток новых гипотез об их природе и о силах, действующих в них. Оно стало мощным стимулом для развития представлений не только о строении, но и о происхождении небесных объектов — планет, звезд, звездных систем.

Источник