Йэн Стюарт - Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

В период с 1783 по 1802 год Уильям Гершель нашел еще 2500 туманностей. В 1845 году лорд Росс при помощи своего нового телескопа, очень внушительного и большого, разглядел в нескольких туманностях отдельные точечные источники света — первое значимое свидетельство того, что Райт и Кант, возможно, были правы. Но само это предположение оставалось на редкость спорным. Вопрос о том, находятся ли эти светлые пятнышки вне Млечного Пути — и, мало того, представляет ли собой Млечный Путь всю Вселенную, — оставался открытым еще в 1920 году, когда Харлоу Шепли и Хебер Кёртис проводили в Смитсоновском музее жаркие дебаты на эту тему.

Шепли считал, что Млечный Путь — это и есть Вселенная. Он утверждал, что если M31 — это такая же галактика, как Млечный Путь, то ее должны отделять от нас примерно 100 млн световых лет, а такое расстояние считалось слишком большим, чтобы в него можно было поверить. Вдобавок Адриан ван Маанен утверждал, что наблюдал вращение туманности Вертушка (M101). Если бы она находилась от нас так далеко, как предсказывала теория Кёртиса, то некоторые части ее должны были бы двигаться со сверхсветовой скоростью. Но еще одним гвоздем в крышку гроба стала новая в M31 — одна-единственная взорвавшаяся звезда, которая короткое время излучала больше света, чем вся туманность [65] Здесь автор неточен. В максимуме блеска вспыхнувшая в М31 звезда имела 6-ю звездную величину. Галактика все же ярче. — Прим. ред. . Трудно было представить себе, как одна звезда может сиять сильнее, чем миллионы других звезд, вместе взятые.

Этот спор разрешил в 1924 году Хаббл при помощи эталонных источников, обнаруженных Ливитт. В 1924 году он воспользовался телескопом Хукера — самым мощным из доступных на тот момент, — чтобы пронаблюдать цефеиды в M31. Связь между периодом и светимостью, найденная Ливитт, помогла ему определить, что расстояние до них составляет 1 млн световых лет. Это сразу поместило M31 далеко за пределами Млечного Пути. Шепли и другие астрономы пытались отговорить Хаббла от публикации таких абсурдных результатов, но тот не стал слушать советов и опубликовал их — сначала в The New York Times , а затем и в научной статье. Позже оказалось, что ван Маанен ошибался, а новая Шепли в действительности была сверхновой и на самом деле какое-то время излучала больше света, чем вся галактика, в которой она находилась.

В ходе дальнейших исследований обнаружилось, что история с цефеидами не так проста, как казалось. Вальтер Бааде выделил среди цефеид два разных типа, для каждого из которых характерно свое соотношение периода и светимости, — это классические цефеиды и цефеиды II типа, и показал, что на самом деле M31 находится еще дальше, чем считал Хаббл. Согласно современным оценкам, расстояние до этой галактики составляет 2,5 млн световых лет.

Хаббла особенно интересовали галактики, и он придумал для них схему классификации, основанную на внешнем виде. Он выделил четыре основных типа галактик: эллиптические, спиральные, спиральные с перемычкой (с баром) и неправильные галактики. Спиральные галактики в особенности поставили перед учеными интереснейшие математические вопросы, поскольку они наглядно демонстрируют нам результат действия закона всемирного тяготения в гигантских масштабах — и закономерности при этом выявляются тоже поистине гигантские. При взгляде на ночное небо кажется, что звезды раскиданы по нему случайным образом, но если звезд достаточно много, то получаются образования загадочно правильной формы.

Хаббл не ответил на эти математические вопросы, но сумел стронуть всю махину с мертвой точки. Одним из несложных, но существенных нововведений стало то, что он систематизировал формы галактик и составил из них диаграмму в форме камертона. Он дал разновидностям галактик символьные обозначения: E1 — E7 для эллиптических галактик, Sa, Sb, Sc — для спиральных, SBa, SBb, SBc — для спиральных с перемычкой. Его классификация была эмпирической, то есть не базировалась на какой бы то ни было законченной теории или системе измерений. Но многие важные области науки — и среди них геология и генетика — начинались как эмпирические классификации. Если у вас есть упорядоченный список, можно начинать разбираться с тем, как разные образцы взаимодействуют и дополняют друг друга.

Некоторое время считалось, что эта диаграмма, возможно, иллюстрирует этапы развития галактик, которые начинают свое существование в виде плотных эллиптических звездных скоплений, а затем расползаются и формируют либо спиральные рукава, либо спиральные рукава и перемычку в зависимости от сочетания параметров — массы, диаметра и скорости вращения. После этого спираль постепенно раскручивается и теряет плотность, пока наконец не утрачивает большую часть структуры и не становится неправильной. Безусловно, идея была привлекательная, ведь аналогичная диаграмма спектральных типов звезд Герцшпрунга — Рассела в какой-то степени отражает звездную эволюцию. Однако в настоящее время считается, что схема Хаббла скорее каталог возможных форм галактик, а сами они не развиваются столь упорядоченно.

По сравнению с бесформенными пятнами эллиптических галактик математическая правильность спиральных и спиральных с перемычкой смотрится очень эффектно. Почему многие галактики имеют спиральную форму? Откуда примерно у половины из них берется центральная перемычка? Почему у остальных ее нет? Может показаться, что ответить на эти вопросы относительно просто: составить математическую модель, просчитать ее, лучше всего на компьютере, и посмотреть, что получится. Поскольку звезды, составляющие галактику, расположены достаточно свободно и не движутся с околосветовыми скоростями, ньютоновская гравитация должна описывать их поведение достаточно точно.

Было рассмотрено множество подобных теорий. Ни одно из объяснений не получило общего признания и не стало лидером, но есть несколько теорий, которые соответствуют наблюдаемым данным лучше, чем остальные. Всего лишь 50 лет назад большинство астрономов считали, что спирали формируются под действием магнитных полей, но мы сегодня знаем, что поля эти слишком слабы, чтобы объяснить существование спиральных галактик. Сегодня астрономы сходятся во мнении, что спиральная форма формируется в основном под действием гравитационных сил. Другой вопрос, как именно это происходит.

Одну из первых теорий, завоевавших широкое признание, предложил Бертиль Линдблад в 1925 году, и основана она на особом типе резонанса. Подобно Пуанкаре, Линдблад рассматривал частицу на почти круговой орбите во вращающемся гравитационном ландшафте. В первом приближении эта частица колеблется относительно окружности с конкретной естественной частотой. Резонанс Линдблада возникает, когда отношение этой частоты к частоте, с которой частица встречает последовательные гребни гравитационного ландшафта, представляет собой простую дробь.