Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

К ХХ веку у исследователей уже сложилась на удивление точная картина нашей Галактики. Астрономы считали, что она имеет форму диска диаметром около 100 000 световых лет. Ее протяженность по вертикали составляла около 4 000 световых лет. Тем не менее большинство ученых тогда по‐прежнему полагало, что Солнце находится в центре Галактики.
Следующий шаг был сделан в начале ХХ века голландцем Якобусом Каптейном, который в свои двадцать семь лет уже являлся профессором астрономии в Гронингене. Он понял, что все звезды движутся вокруг общего центра. В 1922 году Каптейн опубликовал свою динамическую модель Млечного Пути, но тоже ошибся в ключевом вопросе о положении Солнца (зная то, что мы знаем сейчас, – к счастью: в его модели наша Солнечная система все еще находилась очень близко к центру, так что, будь он прав, мы бы оказались в непосредственной близости от гигантской черной дыры).
Эту ошибку исправил американский астроном Харлоу Шепли. Свои исследования он проводил в обсерватории Маунт-Вилсон, где работал с гигантским телескопом. Шепли определил размер Млечного Пути с помощью шаровых скоплений, вычислив их расстояния до Земли.
Это стало возможным только потому, что его соотечественница Генриетта Свон Ливитт в 1912 году открыла способ, с помощью которого можно вычислить расстояние до звезд определенного типа (в ее случае – до переменных цефеид), воспользовавшись регулярными периодическими колебаниями их светимости. Ливитт, как и Энни Джамп Кэннон, принадлежала к поколению увлеченных и неутомимых женщин-астрономов, чьи достижения в те годы не всегда получали должное признание. Но, к счастью, справедливость в конце концов восторжествовала, их заслуги оценили по достоинству, и некоторое время назад в честь Кэннон и Ливитт были названы лунные кратеры.
Определив положения этих шаровых скоплений, Шепли понял, что они не группируются вокруг Солнца. Это означало, что спиральные рукава Галактики не могут вращаться вокруг нашей планетной системы. А из этого, в свою очередь, следовало, что центр Млечного Пути должен был находиться намного дальше от нас, чем предполагал Каптейн. Шепли оценил расстояние от нашей Солнечной системы до центра примерно в 65 000 световых лет. Позже он скорректировал его и уменьшил до примерно 35 000 световых лет. Это открытие сделало Шепли Коперником нашей домашней Галактики. Прусско-польский каноник когда‐то перенес Землю из центра нашей планетной системы на удаленную от Солнца орбиту, а теперь Шепли изгнал Солнце с его планетами из центра нашего Млечного Пути на его периферию.
Шепли полагал, что размеры Млечного Пути значительно больше, чем считалось до сих пор. По его оценкам, диаметр Млечного Пути составляет 300 000 световых лет. Ученый думал, что существует лишь одна галактика – наша, что все туманности – это ее части, а вся Вселенная состоит только из нашего Млечного Пути.
Опубликовав свою точку зрения, Шепли втянулся в легендарный диспут, который состоялся 26 апреля 1920 года в Национальном музее естественной истории в Вашингтоне, округ Колумбия. Эту жаркую дискуссию позже окрестили “Великими дебатами”. На них сошлись две астрономические школы: в одном углу воображаемого ринга стоял Шепли, отстаивающий свою идею гигантской галактики с далеким от центра Солнцем, а в другом – его критик Гебер Кёртис, представивший теорию островных вселенных. Кёртис считал, что Млечный Путь был лишь одной из многих галактик и что каждая спиральная туманность составляла свою собственную независимую звездную систему. Но вместе с тем в его модели наша Солнечная система занимала центральное положение внутри Млечного Пути.
Утром того дня оба ученых прочитали лекции с изложением своих теорий. Схватка произошла вечером в формате открытой дискуссии. Ни один не уступил другому ни дюйма. Кёртис, который на протяжении своей карьеры руководил несколькими обсерваториями и организовал около дюжины экспедиций по наблюдению солнечных затмений, был уверен, что Шепли проделал свои измерения небрежно. Оба яростно отстаивали собственные позиции, и в тот вечер явный победитель так и не определился. Возможно, впрочем, что к концу выступления Шепли удалось перетянуть на свою сторону некоторых слушателей. А вообще‐то, как мы сейчас понимаем, оба ученых были отчасти правы.
 
В аудитории сидел человек, который с большим интересом слушал аргументы и Шепли, и Кёртиса. Его звали Эдвин Хаббл. Вскоре именно он – бывший юрист – вынесет свое решение по результатам этих Великих дебатов. Как ни странно, собственные ключевые исследования он провел в той же обсерватории Маунт-Вилсон, что и Шепли.
Благодаря Хабблу мы можем относительно точно ответить на вопрос, как далеко человек способен видеть невооруженным глазом. Ответ: на расстояние, чуть меньшее трех миллионов световых лет. Наш глаз видит расположенную на этом расстоянии ничем не примечательную точку на небе – соседнюю галактику Туманность Андромеды – M31, – единственную галактику, которую мы можем увидеть на ночном небе без телескопа. Все остальные видимые нам звезды входят в галактику Млечный Путь. Туманность Андромеды, кроме того, является ключом к разгадке разногласий Шепли и Кёртиса. И даже более того – к разгадке всей структуры Вселенной.
Спустя три года после легендарных дебатов Хаббл обнаружил, что Туманность Андромеды – это нечто большее, чем простое газовое облако, внутри которого рождаются новые звезды [86]. В так называемой туманности он нашел звезду, которую смог использовать для измерения расстояния от этой туманности до Земли. Это был пульсирующий, периодически мигающий свет переменной цефеиды, такой же, как те, что описала Генриетта Свон Ливитт. По кривой блеска этой звезды удалось определить ее светимость и, следовательно, ее расстояние от Солнца.
Полученный результат – большое расстояние – мог означать только одно: вся эта структура должна была находиться вне Млечного Пути. Как только Хаббл добавил результаты других наблюдений, он понял, что туманность на самом деле является самостоятельной галактикой. Шепли ошибался: наш Млечный Путь – лишь одна из многих галактик во Вселенной. Прежде чем опубликовать свои выводы, Хаббл в письме сообщил Шепли о проделанной работе. Остается открытым вопрос, поступил ли он так из злорадства или из джентльменского чувства долга. До этого Шепли резко критиковал Хаббла и ясно давал понять, что не слишком серьезно относится к его идеям, однако теперь он вынужден был признать свою ошибку. Прочитав письмо, он показал его своей студентке и сказал: “Вот письмо, которое разрушило мою вселенную” [87].
“История астрономии – это история отступающих горизонтов”, – написал Хаббл в 1936 году в своей книге “Царство туманностей” [88]. Но если говорить о Млечном Пути, то в 1920‐е годы, после открытий Хаббла и других ученых, горизонт не распахнулся еще в той степени, в какой позволяют это наши нынешние знания. Космосу предстояло расширяться и расширяться, и тогда еще было неясно, где именно мы в нем находимся, поскольку пыль, скопившаяся в центре диска Млечного Пути, скрывала его от “взора” оптического телескопа.
Ситуация изменилась только в начале тридцатых, когда изобретение радиотелескопа открыло астрономам новое окно во Вселенную. В 1932 году Карл Гуте Янский впервые обнаружил космическое радиоизлучение, зарегистрировав радиошумы явно космического происхождения; при этом самые сильные сигналы приходили из окрестности созвездия Стрелец. Сегодня мы знаем, что галактический центр, находящийся посередине нашего Млечного Пути, лежит именно в том направлении.
Голландский ученый Ян Оорт тоже считал, что центр Млечного Пути лежит где‐то на этом направлении. Оорт, давший свое имя Облаку Оорта, которое окружает Солнечную систему и является домом для комет, установил, что расстояние до галактического центра составляет примерно 30 000 световых лет, и в определении этого расстояния он очень близко подошел к измеренному сегодня значению в 27 000 световых лет. Его соотечественник Хендрик ван де Хюлст продвинул радиоастрономию еще на шаг дальше. Во время Второй мировой войны, когда Голландия была оккупирована нацистами, он скрывался в утрехтской обсерватории. Работая там, он предсказал, что водород, столь широко распространенный в атомарной форме в нашем Млечном Пути, должен излучать спектральные линии в радиодиапазоне, а именно – на частоте, в точности равной 1,4 ГГц (примерно в диапазоне частот наших современных мобильных телефонов).