Виктор Вайскопф - Наука и удивительное [Как человек понимает природу]

Уже 125 лет назад у астрономов были инструменты, способные измерять такие малые смещения, и выяснилось, что Сириус и другие столь же яркие звезды действительно находятся от нас на расстоянии, предсказываемом гипотезой о равенстве их истинной яркости и яркости Солнца. Если расстояние до звезды можно измерить по ее небольшому периодическому смещению, то мы убеждаемся в том, что более яркие звезды находятся ближе, а менее яркие — дальше от нас. Наше предположение оказалось в общих чертах справедливым. Большинство звезд, расстояние до которых измерено, имеют близкую истинную яркость (светимость).

Теперь мы знаем расстояния до наиболее ярких, т. е. до ближайших, звезд. Мы можем оценить протяженность пустого пространства между нашей солнечной системой и ближайшим солнцеподобным объектом — оно в миллион раз больше расстояния от Земли до Солнца, т. е. примерно равно 10 14 км [4] Вместо того, чтобы писать числа с многими нулями, мы будем в этой книге пользоваться общепринятым научным обозначением через так называемые «степени десяти». Так, 10 14 означает десять в четырнадцатой степени, т. е. десять, умноженное само на себя четырнадцать раз, или единицу в первом знаке с четырнадцатью нулями после нее. В этих обозначениях миллион, например, записывается в виде 10 6 . Когда мы говорим, что расстояние до Сириуса составляет 10 14 км , это не означает, что оно точно равно этой величине. Мы указываем только «порядок величины». Оно может равняться и 2/3 и 3/2 от 10 14 км . Для специальных научных целей расстояние до Сириуса нужно знать значительно точнее, и оно действительно известно очень точно, но в данном случае в этом нет необходимости. Для нас сейчас неважно, удален ли Сириус от нас на 1/2·10 14 км или на 2·10 14 км . При определении протяженности пространства нас интересует только порядок величины. . Свету требуется десять лет, чтобы пройти это расстояние, почему мы и измеряем подобные расстояния в световых годах: Сириус отстоит от нас на 10 световых лет. Сравним это с несколькими минутами, которые требуются свету, чтобы пройти солнечную систему, или с десятой секунды, за которую свет может обойти вокруг Земли, и мы получим представление о расстояниях до наших сестринских солнц.

Прямым методом смещений можно измерить расстояние не до многих звезд, а только до ближайших к нам, отстоящих не более чем на 50 световых лет. На этом расстоянии находится около 300 звезд. Смещение большинства других звезд слишком мало, чтобы его можно было заметить. К счастью, есть много других, менее прямых методов измерения расстояний до звезд. Здесь мы не будем входить в детали этих методов. В общем, эти измерения подтвердили нашу гипотезу: звезды мало отличаются друг от друга по своей истинной яркости; если бы они находились на одном и том же расстоянии, то выглядели бы приблизительно одинаково яркими. Из этого правила есть много исключений, но им можно пользоваться для предварительной ориентации при оценке распределения звезд в пространстве. В действительности это правило выполняется гораздо лучше при сравнении звезд одного цвета. Например, звезды, подобные Солнцу (желтовато-белого цвета) [5] Цвет, который имеет Солнце при наблюдении с очень больших расстояний, легко найти, рассматривая некоторые искусственные спутники. Они сделаны из отражающего металла и поэтому имеют такой же цвет, что и Солнце. , никогда заметно не отличаются друг от друга: одна может быть втрое ярче или втрое слабее другой, но для наших целей это различие очень невелико. Мы не сделаем большой ошибки при оценке расстояния, предполагая светимости всех звезд равными. Мы получим правильный порядок величин для расстояний, и это все, что нужно для получения общих представлений об огромных расстояниях во Вселенной.

Посмотрим на звездное небо, чтобы представить себе распределение звезд в пространстве. Мы увидим яркие и слабые, тусклые звезды, причем слабых оказывается гораздо больше, чем ярких. На первый взгляд кажется, что нет никакой закономерности в распределении звезд по небу. Но при более систематическом наблюдении с использованием примитивного телескопа мы заметим, что слабые звезды распределены по небу далеко не равномерно. В Млечном Пути или около него слабых звезд значительно больше, чем в отдаленных от него участках неба. Если смотреть в хороший бинокль в направлении, сильно удаленном от Млечного Пути, мы заметим несколько ярких звезд, но почти не увидим очень слабых. Фон Млечного Пути, однако, мерцает миллионами звезд.

Что это означает? Это означает, что звезды не распределены в пространстве равномерно, а сосредоточены в участке, имеющем вид плоского диска. Наша солнечная система находится где-то в этом диске. Если мы смотрим в тело диска, то видим много звезд, и особенно много таких, которые весьма удалены от нас и поэтому кажутся слабыми, но если смотреть перпендикулярно плоскости диска, то мы заметим только несколько звезд, причем (вследствие их близости) относительно ярких.

Каковы же размеры этого диска, внутри которого находятся все звезды, видимые нами на небе? Мы снова можем воспользоваться своей гипотезой и измерить яркость слабейших звезд, еще видимых при наблюдении в направлении диска (Млечного Пути) и в перпендикулярном ему направлении. Для этого нужны мощные телескопы, позволяющие различить каждую отдельную звезду в Млечном Пути. Тогда мы снова сможем применить наш простой способ определения расстояний. Приведем полученные результаты: слабейшие звезды, еще видимые в направлении плоскости Млечного Пути, в 100 раз слабее звезд, еще видимых в перпендикулярном направлении. Поэтому радиус диска должен примерно в 10 раз превышать его толщину [6] Напомним, что источник света кажется в 100 раз слабее, если он находится в 10 раз дальше. Вообще, он кажется в х раз слабее, если он в √ х раз дальше. . Яркость наиболее слабых звезд в Млечном Пути приблизительно в сто миллионов раз меньше яркости Сириуса; поэтому они должны находиться в 10 000 раз дальше, чем Сириус, т. е. располагаться на расстоянии 100 000 световых лет (рис. 5).

Рис. 5. Схема Галактики, на которой показаны положение Солнца и направления лучей зрения а и б. а — звезды, видимые в телескоп, направленный внутрь Галактики; б — звезды, видимые в телескоп, направленный из Галактики наружу.

Из распределения слабых и ярких звезд по небу следует, что звезды образуют круговой диск с диаметром 10 5световых лет и толщиной 10 4световых лет. Солнце и Земля находятся на середине радиуса. Эта плоская «колония» звезд называется галактической системой, или нашей Галактикой. Среднее расстояние между звездами в ней — около 10 световых лет. Таково расстояние от Солнца до ближайших звезд вокруг него, и, по-видимому, таково же обычное расстояние между соседями в Галактике. Отсюда легко оценить, сколько всего звезд в Галактике. Мы получим число около 50 миллиардов.