Важность этого наблюдения понял известный американский астроном Харлоу Шепли, который впоследствии более 30 лет был директором Гарвардской обсерватории (1920—1952). Наблюдаемые закономерности казались совершенно необычными. Яркость цефеид возрастала и уменьшалась в бесконечной последовательности циклов с периодом от нескольких дней до нескольких недель. Проведя измерение в течение хотя бы двух циклов, можно определить яркость каждой из звезд, называемую абсолютной яркостью. Разница между ее величиной и наблюдаемой в конкретный момент яркостью (так называемой кажущейся яркостью) зависит от расстояния до Земли. Еще Исаак Ньютон установил, что яркость объекта обратно пропорциональна квадрату расстояния до наблюдателя. Расстояние до звезды можно вычислить по простым тригонометрическим формулам, пользуясь которыми, например, моряки определяют расстояние от корабля до маяка. (В астрономии Землю можно уподобить кораблю, а звезду — удаленному маяку.)
Используя этот новый метод, Шепли продолжил наблюдения звезд Магелланова Облака ив 1916 г. обнаружил, что наша Солнечная система расположена не в центре Млечного Пути (как традиционно полагали астрономы), а на его периферии. По расчетам Шепли, расстояние до центра Млечного Пути составляло примерно 50 тысяч световых лет, однако позднее выяснилось, что оно равно 30 тысячам световых лет. Ошибка в расчетах объясняется тем, что он (как и все другие астрономы в начале прошлого века) полагал, что Млечный Путь включает всю Вселенную. Этот пример показывает, что ученым с трудом удается воссоздавать целостную картину мира даже в результате крупных научных открытий, если они не в состоянии отрешиться от традиционной системы взглядов.
Еще сильнее научное сообщество было поражено идеей Эдвина Пауэлла Хаббла, выдающегося астронома и постоянного оппонента X. Шепли. Хаббл предположил, что Млечный Путь является лишь маленьким фрагментом гигантской мозаики звездного неба. В дни новогодних торжеств 1925 г. в Вашингтоне состоялась астрономическая конференция, ставшая знаменитой из-за доклада Хаббла, прочитанного от его имени одним из ведущих астрономов США Генри Норрисом Расселом. В докладе Хаббла было показано, что Млечный Путь — это одна из бесчисленных галактик, разбросанных в космическом пространстве на огромных расстояниях друг от друга. Хаббл даже придумал для них красивый поэтический образ «островные вселенные», который позволяет любому прочувствовать пустынные просторы космоса.
Спиральная галактика NGC 4639, расположенная на расстоянии 78 миллионов световых лет от Земли в созвездии Девы, представляющем собой скопление галактик. Яркие точки по краям рисунка соответствуют молодым звездам. Некоторые из них относятся к классу цефеид и имеют переменную яркость, обнаруженную впервые Генриеттой Сван Ливит в 1912 г. Начиная с 1920-х годов астрономы используют цефеиды для определения межзвездных расстояний. (Предоставлено NASA.)
Хаббл и его единомышленники предполагали, что так называемые спиральные галактики являются не просто облаками газа внутри Млечного Пути, а представляют собой целые звездные системы, расположенные далеко за его пределами. В 1923 г. начал работать новый 2,5-метровый телескоп обсерватории Маунт-Вильсон, и Хаббл использовал полученные на нем фотографии для доказательства своей теории. Расчеты с использованием данных о цефеидах подтвердили гипотезу Хаббла, и в настоящее время около 30% известных нам галактик астрономы относят к спиральным туманностям, которые обычно представляют собой плоский диск с центральным утолщением и двумя характерными спиральными ветвями, образованными горячими молодыми звездами, а также облаками межзвездной пыли и газа. Предлагаемые Эдвином Хабблом размеры Вселенной потрясли воображение астрономов и казались совершенно немыслимыми широкой публике.
В течение всей истории человечества именно астрономия подрывала в нас самоуважение. Добрый старый Птолемей во втором веке построил модель Вселенной, в центре которой находилась Земля, а Солнце, планеты и звезды вращались вокруг нее. Эта модель столь удовлетворяла человеческое самолюбие, что просуществовала до XVI века, когда Коперник показал, что Земля вращается вокруг Солнца. Идеи Коперника почти столетие вызывали ожесточенное сопротивление, и в 1633 г. Галилей предстал перед судом инквизиции за поддержку гелиоцентрической системы. В начале XX века Шепли «переместил» Солнечную систему на периферию Млечного Пути, а затем Хаббл показал, что Вселенная содержит огромное число других галактик. Человечеству пришлось осознать, что мы живем на очень небольшой планете, вращающейся вокруг весьма скромной звезды, в одной из нескольких сотен миллионов галактик, многие из которых содержат свыше двух миллиардов звезд.
После сенсационного доклада 1925 г. Хаббл вернулся к изучению так называемого красного смещения в цефеидах спиральной туманности, которую он считал скоплением галактик. Красным смещением называется сдвиг в красную область спектра излучения при удалении источника излучения от наблюдателя. Этот эффект на протяжении ряда лет изучал астроном Весто Слайфер в обсерватории имени Ловелла (Флагстаф, штат Аризона), однако в 1922 г. он занялся другими проблемами, тогда как Хаббл продолжал исследования и пришел к выводу, что красное смещение доказывает разбегание галактик и соответственно постоянное расширение Вселенной. Закон Хаббла, сформулированный в 1929 г. и остающийся основным методом оценки размеров и возраста Вселенной, утверждает, что чем дальше от нас находится галактика, тем сильнее проявляется в ней красное смещение.
К этому времени внимание американских астрономов привлекли результаты, полученные на телескопах обсерваторий Маунт-Вильсон и имени Ловелла, которые по своим возможностям значительно превосходили европейские. С другой стороны, европейские физики во главе с Альбертом Эйнштейном успешно разрабатывали математические теории строения Вселенной. В начале 1930-х годов астрономы и физики начали сознавать, что они с разных сторон подходили к одинаковым проблемам. Это привело к активному взаимодействию теоретиков и астрономов-наблюдателей, в результате которого произошло «перекрестное опыление» и возникла теория Большого Взрыва, подробно описанная в гл. 1. В соответствии с этой теорией все вещество и энергия Вселенной 10—20 миллиардов лет назад были сконцентрированы в ничтожно малом объеме, практически в точке с бесконечно большими температурой и плотностью. Затем произошел взрыв и высвободившаяся энергия породила многочисленные галактики, которые мы и наблюдаем.
Как уже отмечалось выше, многие ученые не принимали теорию Большого Взрыва всерьез до тех пор, пока в начале 1960-х годов не было обнаружено так называемое микроволновое фоновое излучение, предсказанное теорией как реликт Большого Взрыва. Понадобились усилия физиков и астрономов на протяжении почти столетия, начиная с первой статьи Эйнштейна по теории относительности в 1905 г., обнаружения Генриеттой Ливит закономерностей в яркости цефеид, теории Хаббла множественности вселенных, совместно с новейшими открытиями в радиоастрономии, чтобы возникли реальные основания для определения размеров, возраста и будущей судьбы Вселенной.
Наконец, астрономы получили в свое распоряжение космический телескоп «Хаббл», названный в честь ученого, впервые указавшего на существование огромного числа галактик. Первоначально предполагалось, что телескоп «Хаббл» подтвердит предполагаемый возраст Вселенной в 14—20 миллиардов лет и значительно расширит возможности наблюдения удаленных звезд. Телескопы на Земле позволяют регистрировать цефеиды, находящиеся на расстоянии в пределах 15 миллионов световых лет от нас. Когда телескоп «Хаббл» был полностью введен в действие (это произошло после ремонта его главного зеркала в 1993 г.), ученые получили возможность наблюдать цефеиды, удаленные на 60 миллионов световых лет.
Уже первый отчет 1994 г. группы астрономов, использовавших данные с телескопа «Хаббл», поверг всех в изумление. До этого считалось бесспорным, что постоянная Хаббла (скорость расширения Вселенной в законе Эдвина Хаббла, предложенном в 1929 г.) составляет 50 км/(с ∙ мегапарсек). Читатель может вполне реально представить себе расстояние в 50 км, однако мегапарсек является величиной совершенно иных масштабов: 1 парсек равен 3,26 световых лет, а мегапарсек — это миллион парсек. Ближайшая к нам галактика Туманность Андромеды находится на расстоянии около 2 миллионов световых лет, и астрономы запросто оперируют со значительно большими расстояниями. Однако при этом их крайне беспокоит, если новые результаты приводят к резкому изменению этих величин, а именно это произошло в 1994 г.!
Группа из 22 астрономов, используя телескоп «Хаббл», изучила 20 цефеид в галактике M100, расположенной в центре сверхскопления созвездия Девы. Красное смещение света этих цефеид показало, что галактика M100 находится гораздо ближе к нам, чем предполагалось, из чего вытекало, что постоянную Хаббла следует увеличить до 80 км/(с ∙ мегапарсек), т. е. Вселенная расширяется значительно быстрее, чем думали раньше. Столь высокая скорость расширения, в свою очередь, свидетельствует о том, что наша Вселенная значительно моложе, чем считалось до сих пор, и ее возраст составляет не 14—20 миллиардов, а всего лишь около 8 миллиардов лет.