Почему небо темное. Как устроена Вселенная: читать начало книги онлайн

Заметки Галлея были опубликованы в журнале Королевского общества «Philosophical Transactions» и, по-видимому, они стимулировали работу швейцарского астронома и физика Шезо, который в 1744 году выполнил первый корректный математический анализ парадокса.

1.5. Шезо и Ольберс

Жан-Филипп Луи де Шезо родился вблизи Лозанны в семье обеспеченного землевладельца. Он очень рано проявил интерес к астрономии и построил собственную обсерваторию, оборудованную парой небольших телескопов. Ранние работы Шезо по физике распространения звука, о торможении пушечных ядер воздухом и пр. привлекли к нему широкое внимание, и российская императрица Елизавета Петровна даже приглашала его на работу в Санкт-Петербург. По причине слабого здоровья Шезо не смог воспользоваться этим предложением.

В декабре 1743 года Шезо открыл комету (практически одновременно она была также обнаружена датчанином Дирком Клинкенбергом) и наблюдал ее до марта 1744 года. Комета была очень яркой, ярче Юпитера, и в одну из ночей продемонстрировала целых 6 хвостов. Через несколько месяцев после исчезновения кометы Шезо опубликовал о ней книгу. Книга содержала восемь приложений, посвященных разным вопросам астрономии. Второе приложение — «О силе света, его прохождении через эфир и расстоянии до неподвижных звезд» — содержало математический анализ загадки ночного неба.

Рис. 11. Жан-Филипп Луи де Шезо (1718–1751) и Генрих Вильгельм Ольберс (1758–1840)

Анализ Шезо был, по сути, эквивалентен приведенному ранее в параграфе 1.2 этой книги. Так же как и Галлей, Шезо рассматривает окружающие Солнце концентрические слои одинаковой толщины и в предположении однородного распределения звезд в пространстве находит, что освещенность от каждого слоя одинакова. Если звездное пространство бесконечно или даже просто очень велико, то любой участок небесной сферы должен сиять как Солнце (он предположил, что все звезды по размерам и по светимости подобны Солнцу), поскольку звезды перекроют своими видимыми дисками весь небосвод. Шезо оценил, что вся доступная наблюдениям полусфера в этом случае должна сиять в 91 850 раз ярче Солнца. (Эта оценка примерно равна отношению площади полусферы к площади солнечного диска.)

«Громадное несоответствие между этим заключением и опытом свидетельствует, что либо сфера неподвижных звезд не бесконечна…, либо освещенность спадает быстрее, чем по закону обратных квадратов», — пишет Шезо. Он считает, что второе допущение более правдоподобно и предполагает, что межзвездное пространство может быть заполнено разреженной средой, задерживающей излучение звезд. Он полагает, что даже ничтожное поглощение в межзвездной среде, постепенно накапливаясь, может объяснить темноту ночного неба. Решение, предложенное Шезо, выглядит правдоподобно, но, как будет показано, далее, неверно — межзвездное поглощение не может решить фотометрический парадокс.

В работе Шезо содержатся еще два примечательных результата. Во-первых, он оказался одним из первых исследователей, правильно оценивших масштаб межзвездных расстояний. Этой задачей пытались заниматься многие (например, Гук, Пикар, Флемстид, Брадлей, Вильям Гершель и другие), однако прямая оценка расстояний методом годичного параллакса из-за несовершенства используемых инструментов и методов обработки не давала результатов вплоть до XIX века.

В качестве альтернативного и, конечно, очень грубого подхода можно использовать видимый блеск звезды в сравнении с Солнцем. Если считать, что все звезды, включая Солнце, имеют одинаковую светимость, то, сравнивая освещенности от какой-либо звезды и от Солнца, можно оценить, во сколько раз звезда дальше от нас, чем Солнце. Используя этот метод, голландский физик, математик и астроном Христиан Гюйгенс (1629–1695) оценил, что Сириус находится в 28 000 раз дальше Солнца, то есть на расстоянии около 0.14 пк[6].

Для того, чтобы получить этот результат, Гюйгенсу пришлось сравнивать яркость освещенного Солнцем отверстия в темной комнате с воспоминанием о яркости Сириуса ночью. Естественно, сделать это очень сложно, что и привело к заниженному почти в 20 раз расстоянию (расстояние до Сириуса равно 2.7 пк или 8.7 световых лет). Этот результат Гюйгенса был опубликован уже после его смерти — в 1698 году.

Однако еще раньше — в 1668 году — шотландский математик, астроном и оптик Джеймс Грегори (1638–1675) опубликовал замечательную модификацию фотометрического метода. Грегори предложил не сравнивать яркости звезд и Солнца, что на практике очень сложно, а использовать в качестве промежуточного стандарта яркость планет. Суть его метода очень проста — ночью можно сравнить яркость какой-либо звезды с яркостью внешней планеты (Марса, Юпитера, Сатурна), а затем, зная расстояние этой планеты от Солнца и ее угловой диаметр, можно рассчитать ее яркость по сравнению с яркостью Солнца (предполагая, конечно, что планета светит отраженным светом и задавая определенный коэффициент отражения). Применив этот метод к Сириусу, и используя наблюдения Сатурна, Грегори получил, что эта звезда находится в 80000 раз дальше Солнца — результат гораздо лучший, чем у Гюйгенса, хотя все еще существенно заниженный.

Во второй части работы о фотометрическом парадоксе Шезо использует метод Грегори для определения расстояний до ярчайших звезд (Сириуса и Регула) на основе сравнения их блеска с Сатурном, Юпитером и Марсом. Он заключает, что расстояние до ярчайших звезд примерно в 240 000 раз превышает расстояние от Земли до Солнца. Эта оценка составляет около 4 световых лет или чуть больше 1 пк. Учитывая грубость используемого метода, результат можно признать просто превосходным!

Однако Шезо не был первым человеком, правильно оценившим масштаб межзвездных расстояний. Как оказалось, это было сделано Исааком Ньютоном в «De mundi systemate» («Система мира») — дополнении к «Началам», написанном еще в 1680-х годах и опубликованном в 1728 году, уже после его смерти. В этой работе Ньютон методом Грегори нашел, что расстояние до звезд первой величины примерно в 100 000 раз превышает расстояние от Сатурна до Солнца, что составляет ~ 1 000 000 астрономических единиц (4.8 пк)[7].

Еще один интересный результат небольшой работы Шезо о фотометрическом парадоксе — корректная математическая оценка доступной наблюдениям области Вселенной. Если предположить, что все звезды подобны Солнцу и что они равномерно распределены в пространстве со средним взаимным расстоянием 4 световых года, то в пределах сферы радиусом 3×10¹⁵ световых лет звезды перекроют своими дисками всю небесную сферу. Свет от более далеких звезд будет экранирован дисками более близких объектов и внешняя часть Вселенной останется ненаблюдаемой.

Британский космолог Эдвард Харрисон считает, что, возможно, именно огромность, несоизмеримость этих масштабов могла подтолкнуть Шезо к идее межзвездного поглощения — ведь даже ничтожная непрозрачность межзвездной среды на столь больших расстояниях способна полностью скрыть далекие объекты и, тем самым, сделать ночное небо темным.

Следующий исследователь, внесший вклад в исследование парадокса, названного позднее его именем, — это немецкий врач и астроном-любитель Генрих Ольберс. Ольберс был дипломированным медиком, но, горячо увлекаясь астрономией, он в течение многих лет сочетал оба занятия. Днем он был солидным бременским врачом, а ночью проводил наблюдения в частной обсерватории на верхнем этаже собственного дома. Лишь после смерти дочери и второй жены он оставил врачебную практику и с 1820 года полностью посвятил себя астрономии. В биографическом очерке, включенном в книгу С. Ньюкомба и Р. Энгельмана «Астрономия в общепонятном изложении» (опубликована на русском языке в 1896 году), об Ольберсе было написано так: «Едва ли можно назвать другого любителя, которому астрономия была бы так много обязана, как Ольберсу; и мало было специалистов по астрономии, которые обладали столь обширными познаниями в ней, как этот любитель».

Основные результаты Ольберса посвящены наблюдениям комет (он открыл их 7 штук) и расчетам их орбит (им разработан метод определения орбит комет по трем наблюдениям). В 1802 году Ольберс переоткрыл первую малую планету (Цереру)[8], которая вскоре после ее открытия в 1801 году итальянским астрономом Пиацци была потеряна. В том же 1802 году он открыл вторую малую планету (Палладу), а в 1807 — четвертую (Весту).

В 1823 году, почти через 80 лет после работы Шезо, Генрих Ольберс опубликовал статью «О прозрачности пространства». В своей статье Ольберс анализирует фотометрический парадокс — более пространно и в более качественном стиле по сравнению с кратким изложением Шезо — и предполагает, что учет поглощения света далеких звезд в межзвездном пространстве может решить эту проблему.

Изложение Ольберса в целом оригинально и вводит в обсуждение парадокса несколько новых идей. Например, Ольберс допускает, что звезды не обязательно должны быть однородно распределены в пространстве, а могут группироваться в системы, подобные Млечному Пути, то есть в галактики. Такое скучивание не избавляет от парадокса, поскольку любой луч зрения все равно рано или поздно должен упереться в диск какой-либо звезды. Ольберс считает, что полная прозрачность межзвездного пространства «в высокой степени невероятна» и обосновывает существование поглощающей среды тем, что вещество кометных хвостов рассеивается, пополняя окружающее пространство, а также существованием зодиакального света. (Строго говоря, это говорит лишь о межпланетной среде, но отсюда уже один шаг до признания существования и межзвездного вещества.)

Любопытен «научно-фантастический» пассаж Ольберса о том, что даже в случае, если бы вся небесная сфера сияла как поверхность Солнца, можно было бы вообразить живые организмы, приспособившиеся и к таким экстремальным условиям. Он отмечает, что астрономия у разумных существ такой планеты находилась бы в примитивном состоянии — обитателям ничего не было бы известно о звездах, о существовании Солнца можно было бы узнать лишь по наблюдениям его пятен, а Луна и планеты обнаруживались бы лишь как темные пятна на сверкающем фоне. (Соображения Ольберса отчасти перекликаются с высказанными в п. 1.1 этой книги.)

В своей статье Ольберс цитирует Галлея, но ни разу не упоминает работу Шезо. Знал ли он о ней, и повлияла ли она как-нибудь на его собственную работу? Вопрос не праздный, поскольку подход Ольберса и предложенное им решение фотометрического парадокса в целом похожи на то, что сделал Шезо задолго до него. Кроме того, оказалось, что в библиотеке Ольберса была книга Шезо 1744 года, посвященная знаменитой шестихвостой комете, в приложении к которой Шезо описал свое решение фотометрического парадокса. Более того, Ольберс, несомненно, читал эту книгу — американский историк астрономии Стенли Яки обнаружил, что в записных книжках, относящихся к 1782–96 годам, Ольберс тщательно законспектировал часть книги Шезо, в которой тот описывает предложенный им метод определения кометных орбит.

Так что же произошло? Яки, да и не только он, считает, что речь не может идти о плагиате, поскольку это в сильнейшей степени противоречит тому, что известно об Ольберсе, о его характере и научных работах. Скорее всего, к 1823 году, когда Ольберс написал свою статью, он забыл или полузабыл о короткой заметке Шезо, которую он, возможно, читал тридцать или сорок лет назад в поисках информации о столь любимых им кометах. Как полагает Эдвард Харрисон, люди забывают об источниках своих идей гораздо чаще, чем обычно считают.

Какова дальнейшая судьба идеи Шезо и Ольберса о межзвездном поглощении как о возможном решении фотометрического парадокса? Идея эта, конечно, не верна, поскольку в заполненной звездами безграничной и вечной Вселенной само поглощающее вещество (межзвездная пыль и газ) начнет нагреваться до тех пор, пока не установится тепловое равновесие между поглощающей средой и излучением звезд, а тогда среда станет излучать столько же, сколько поглотит. Первым это понял, по-видимому, английский астроном Джон Гершель (1792–1871), знаменитый сын еще более знаменитого отца — Вильяма Гершеля (1738–1822).

В 1848 году Джон Гершель опубликовал рецензию на недавно появившийся первый том «Космоса» Александра фон Гумбольдта. Гершель упоминает Ольберса и идею поглощения света, а затем пишет, что, действительно, свет легко поглощается, однако поглощенный свет нагревает поглощающую материю и она должна начать излучать, отдавая через излучение столько же энергии, сколько поглотила. Гершель использовал немного другие слова, но суть его комментария именно в этом. Очень примечательно, что это было написано тогда, когда недавно открытый закон сохранения энергии еще не стал широко известным и общепринятым.

Джон Гершель предложил и свой вариант решения фотометрического парадокса. Будучи наблюдателем, он был уверен, что в некоторых направлениях на небе он и в самом деле видит пустое пространство за пределами нашей звездной системы. С другой стороны, он имел хорошую математическую подготовку и догадывался, что можно придумать такое пространственное распределение объектов, что даже при бесконечном числе звезд ночное небо будет оставаться темным: «…легко представить устройство вселенной, которая будет оставаться в точном смысле слова бесконечной, и в которой произвольное количество лучей зрения не будут пересекаться со звездами». Гершель коротко описал такое устройство — звезды распределены самоподобным образом на всех уровнях, — то, что позднее стали называть иерархическим или фрактальным распределением. Идея иерархического строения Вселенной позднее развивалась многими исследователями — например, Ричардом Проктором, Карлом Шарлье, Фурнье д’Альбе. Эта идея, действительна, способна решить фотометрический парадокс, однако она противоречит наблюдаемой на больших масштабах однородности нашей Вселенной (см. следующую главу).

1.6. Динамическая Вселенная Эдгара По

Появление имени знаменитого поэта, писателя, классика и родоначальника сразу нескольких жанров литературы, может показаться странным в книге по астрономии. Однако что не было странным в жизни этого человека?

Эдгар Аллан По рано остался без родителей и воспитывался в доме богатого коммерсанта из Ричмонда Джона Аллана. Вместе с приемной семьей Эдгар По пять лет прожил в Англии, где учился в дорогом пансионе в Лондоне. После возвращения Алланов в США Эдгар закончил колледж в Ричмонде, в 1826 году поступил в недавно открытый Университет штата Вирджиния. Проучился в университете лишь год, вынужден был его бросить, записался добровольцем в армию, пытался закончить элитную военную академию в Вест-Пойнте, но был отчислен. Дальше — работа в нескольких журналах, богемная жизнь, личные и семейные драмы, нервное перенапряжение, болезни, запои, и на фоне всего этого — многочисленные стихи, рассказы, новеллы… И смерть в 40 лет в унизительной бедности и горячечном бреду. Биография, разительнейшим образом отличающаяся от жизни остальных героев этой книги.

[6] 1 пк (парсек) — это расстояние, с которого средний радиус орбиты Земли виден под углом в 1 угловую секунду. Парсек равен 3.26 светового года или примерно 3×1018 см. В окрестности Солнца характерные расстояния между звездами близки к 1 пк.

[7] Ньютон принял, что Сатурн отражает 1/4 падающего излучения, что примерно в два раза меньше реального альбедо планеты. Использование правильного альбедо несколько уменьшило бы оценку расстояния и сделало бы ее еще более реалистичной.

[8] С 2006 года Церера классифицируется как «карликовая планета».