Александр Шаров - Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла

• Название: Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла
• Автор: Александр Шаров
• Издательство: Наука
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1989
• ISBN: 5-02-014076-7

Описание жизни и деятельности великого ученого нашего столетия  Эдвина-Пауэла Хаббла (1889—1953), автора замечательных открытий, определивших лицо современной астрономии. Его исследования утвердили концепцию островной Вселенной, состоящей из звездных систем-галактик, подобных Галактике, в которой мы живем. Главным достижением Хаббла явилось открытие закона красного смещения линий в спектрах далеких галактик, свидетельствующего о расширении Вселенной. Рассказывается также об исследованиях, продолживших дело Хаббла: о теории горячей Вселенной, о физике процессов в расширяющейся Вселенной, открытии реликтового излучения, о замыслах новых наблюдений для уточнения картины строения и эволюции Вселенной.

При написании биографии ученого использовался ряд материалов, никогда ранее не публиковавшихся.

---

В 1923 г. немецкий математик Г. Вейль отметил, что если в пустую Вселенную де Ситтера, где есть только силы гравитационного отталкивания, поместить галактики со сравнительно малой плотностью так, что их тяготением можно пренебречь по сравнению с силами отталкивания, описываемыми Λ-членом, то они приобретут скорости, пропорциональные расстоянию между ними (для сравнительно небольших расстояний).

Другой теоретик X. Робертсон в 1928 г. пришел к такому же заключению. Более того, сопоставляя расстояния, вычисленные по данным Хаббла 1926 г., со скоростями, полученными Слайфером, он нашел приблизительное подтверждение закона пропорциональности скорости расстоянию. Знал ли Хаббл тогда результаты Робертсона — неизвестно, но установить это несомненно было бы интересно для истории науки.

В 1927 г. ученик А. Эддингтона Дж. Леметр в сущности повторил работу А. А. Фридмана. Как и Фридман, он пришел к заключению о нестационарности Вселенной. Для небольших расстояний Леметр также получил линейную связь между скоростью и расстоянием, которая фактически отражает однородность Вселенной. Найденный им коэффициент пропорциональности оказывается близким к коэффициенту, вскоре полученному Хабблом.

Однако в начале своей работы и сам Хаббл и другие непосредственные участники первых обсуждений его открытия не знали или не помнили всех теоретических исследований. Вероятно, только модель де Ситтера с предсказываемым ею разбеганием галактик в почти пустой Вселенной, а также статическая модель Эйнштейна были единственными схемами, которые принимались тогда во внимание.

В жизни Хаббла приближался звездный час. Прежде всего он хотел убедиться в том, что у туманностей все более далеких лучевые скорости продолжают расти. Скромный телескоп Слайфера для этой цели уже не годился. Решить задачу можно было только на Маунт Вилсон, где находился крупнейший в мире инструмент и работал искусный наблюдатель Милтон Хьюмасон.

Примерно за год до главного дела своей жизни Хаббл составляет список очень слабых и, вероятно, очень далеких туманностей, у которых следовало бы измерить лучевые скорости, а Хьюмасон снимает спектр туманности NGC 7619 — члена скопления в Пегасе. Упорно, ночь за ночью наводит он щель спектрографа на один и тот же объект, чтобы накопить нужные экспозиции в 36 и 45 часов. Наконец, спектр получен и измерен. Линии поглощения в спектре туманности оказались смещенными в красную сторону и ее лучевая скорость составила 3779 км/с. Это был успех, которого с нетерпением ждал Хаббл.

Теперь следовало спешить. Семнадцатого января 1929 г. в «Труды» Национальной академии наук одновременно поступили две небольших статьи. Одна — Хьюмасона с сообщением об измерении скорости NGC 7619. Другая — также небольшая, всего в 6 страниц статья Хаббла «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей». Эту краткую статью наряду с немногими другими, следует считать одной из самых выдающихся работ за всю историю астрономии. В марте номер «Трудов» вышел в свет.

 «Определения движения Солнца относительно внегалактических туманностей,— так начал Хаббл свою статью, — содержат К-член в несколько сотен километров в секунду, по-видимому, являющийся переменным. Можно думать, что объяснение этого парадокса состоит в корреляции между видимыми лучевыми скоростями и расстояниями, однако до сих пор такой результат оставался недоказанным. Настоящая статья представляет собой пересмотр вопроса, опирающийся исключительно на те расстояния туманностей, которые считаются достаточно надежными».

В распоряжении Хаббла было 46 лучевых скоростей, от отрицательных у самых близких галактик — туманности Андромеды, ее спутников и туманности Треугольника, до положительных, достигавших 1000 км/с у более далеких объектов. Порой невольно думается, что Хаббл обладал даром предвидения и заранее знал, что понадобится ему через несколько лет. Сейчас настало время использовать очень важные результаты 1926 г.: ярчайшие звезды в туманностях оказались примерно одинаковой светимости. Близкими друг к другу были светимости и самих исследованных Хабблом галактик. У двадцати четырех туманностей с известными расстояниями лучевые скорости были уже измерены. Четыре из них с самыми большими скоростями, входили в состав скопления в Деве.

Учитывай или не учитывай движение Солнца, простое сопоставление скоростей и расстояний с несомненностью убеждало, что зависимость существует (рис. 2). Значит, в кинематическое уравнение действительно нужно вводить K-член, по пропорциональный расстоянию — Kr. Из решения уравнений следовало, что Солнце со скоростью примерно в 280 км/с летит в направлении созвездия Лиры, к яркой звезде северного неба Беге. Главный же результат состоял в том, что числовой коэффициент при расстоянии получился вполне уверенным. Из двух несколько разных решений он составлял примерно + 500 км/с на мегапарсек. Это означало, что туманности разлетаются во все стороны от нас и друг от друга, а их скорость действительно линейно нарастает с расстоянием. К оставшимся двадцати двум туманностям с из постными движениями по лучу зрения, но без данных- о расстояниях, можно было подойти по-разному. Во-первых, попытаться прикинуть расстояния по их видимой величине. Хаббл так и поступил, и его кинематический результат практически не изменился: +530 км/с на мегапарсек. Задачу можно было и обернуть: считать зависимость между скоростью и расстоянием известной, определить по пей расстояния и затем оценить абсолютные величины туманностей. В среднем их абсолютная величина оказалась равной —15,3m, т. е. тому значению, которое Хаббл уже получал раньше по туманностям с известным расстоянием. Противоречий не было. «Результат устанавливает примерно линейную связь между скоростями и расстояниями туманностей, для которых ранее были опубликованы лучевые скорости...», — таким был основной вывод Хаббла. «Для того чтобы исследовать проблему для много больших расстояний, мистер Хьюмасон на Маунт Вилсон начал программу определения скоростей самых далеких галактик, доступных для уверенных наблюдений». И скорость первой же далекой галактики по зависимости Хаббла соответствовала такому расстоянию, что ее абсолютная звездная величина совпала с величинами ярчайших членов скоплений галактик. В самом конце своей статьи Хаббл четко заявил о глубоком смысле своего результата: «зависимость скорость—расстояние может представлять эффект де Ситтера и, следовательно, ... количественные данные становится возможным привлечь к рассмотрению общей кривизны пространства».

Рис. 2. Диаграмма Хаббла - первая, построенная им зависимость между лучевыми скоростями галактик и их расстояниями (1929 г.)

Коэффициент пропорциональности в этой зависимости сам Хаббл обозначал буквой К. В дальнейшем в честь Хаббла его стали называть постоянной Хаббла и обозначать буквой Н. Первым, кто назвал пропорциональность красного смещения расстоянию галактик «зависимостью Хаббла» был, по-видимому, профессор Калифорнийского технологического института Ричард Толмен, известный теоретик, специалист по применению общей теории относительности в астрономии. Он сделал это в своей статье «Об астрономических применениях де Ситтеровского линейного элемента для Вселенной». В ней Толмен говорит о зависимости красное смещение — расстояние, как о хорошо установленном факте, относящемся к миру галактик. Любопытно, что статья Толмена датирована 25 февраля 1929 г., а работа Хаббла была опубликована только в выпуске журнала от 15 марта. Видимо Толмен уже знал о ней до опубликования. Удивляться этому не приходится—офис обсерватории Маунт Вилсон располагался в Пасадене, в том же городе, где и институт, и ученые хорошо знали друг друга.

Прошло несколько лет, и о зависимости скорость-расстояние Милн и другие писали уже как об известном всем законе Хаббла.

Как и о первом, о новом замечательном достижении Хаббла для всех, интересующихся наукой, у нас впервые на страницах популярного журнала рассказал тот же В. Мальцев. Но оригинальную работу Хаббла он явно не читал и его изложение довольно туманно.

В двадцатых числах июня на съезде Американского астрономического общества в Беркли Хаббл рассказал о попытке определить расстояние большого скопления галактик в созвездии Волосы Вероники. Здесь на площади в десяток лунных дисков находилась тысяча туманностей, ярчайшие из которых визуально наблюдались еще лет за 70 до Хаббла. Если принять для них оцененную Хабблом среднюю абсолютную величину, скопление оказывалось на расстоянии 16 миллионов парсеков, в семь раз дальше скопления в Деве. Свет от него шел до Земли 50 миллионов лет.

Весной 1929 г., преодолевая огромные трудности, Хьюмасон и Пиз измеряют лучевые скорости трех туманностей в Волосах Вероники. Эти туманности были уже намного слабее наблюдавшихся Хьюмасоном в Деве. С разбросом в 1200 км/с их скорости группировались к значению 7500 км/с.