§ 1. Открытие Галактики и крупномасштабной структурности мира туманностей. В. Гершель

В последней четверти XVIII в. впервые объектом самостоятельного исследования в астрономии становится устройство Вселенной за пределами Солнечной системы. Конечно, возможность этого была подготовлена более чем полуторавековым развитием телескопов-рефракторов и столетием совершенствования ньютоновского изобретения — рефлектора, за которым и было будущее. Но в не меньшей степени новое направление интересов и усилий астрономов диктовалось широкими перспективами, открывавшимися по мере внедрения в сознание гравитационной космофизической ньютонианской картины мира. Для понимания окружающего Космоса исследователи получили универсальную силу (тяготение) и процесс (эволюция под его воздействием). Дело было за фактами,

точнее, за целенаправленным их сбором и анализом (к чему призывал Кант!) в рамках новой картины мира.

Исключительно большую роль на этом этапе сыграл великий английский астроном (немецкого происхождения) Вильям (Фридрих Вильгельм) Гершель (1738—1822).

Он вошел в историю науки как знаменитый конструктор уникальных для его эпохи телескопов-рефлекторов с диаметрами зеркал до 1,2 м, как виртуозный наблюдатель и глубокий мыслитель основатель звездной астрономии и родоначальник наблюдательного изучения, по существу, и открытой им нашей звездной системы — Галактики и также открытого им безграничного мира туманностей. Недаром о нем было сказано: «Сломал засовы небес».

Его дебютом в астрономии стало открытие седьмой большой планеты, впервые за всю историю астрономии, — Урана (13 марта 1781 г.). Затем он пополнил Солнечную систему несколькими спутниками (Урана и Сатурна), обнаружил сезонные изменения полярных шапок Марса, правильно объяснил облачными явлениями в атмосфере планеты полосы и пятна на Юпитере, измерил, и весьма точно, период вращения Сатурна; наконец, ему принадлежит открытие движения всей Солнечной системы в пространстве в направлении к созвездию Геркулеса. Одним из первых наблюдая спектры звезд, он обратил внимание на различное распределение в них яркости, а изучая спектр Солнца, открыл инфракрасные лучи (1800). Гершель первым установил влияние солнечной активности (числа пятен) на земные процессы (по изменениям цен на пшеницу).

Задуманная Гершелем смелая программа глобальных обзоров неба с целью не пропустить ни одного нового объекта и впервые поставленная исследовательская цель таких обзоров — изучение строения и развития Вселенной, главным образом за пределами Солнечной системы, — заполнила свыше трех десятилетий его жизни. И хотя уже открытия в Солнечной системе принесли ему мировую славу, основным направлением своих исследований он считал изучение звездной Вселенной, которую он дополнил открытием свыше 2,5 тысячи новых загадочных объектов — «туманностей». Гершель применил в изучении звездного неба свои, оригинальные методы наблюдений и обработки результатов — массовый сбор материалов. Не рассчитывая «объять необъятное», он впервые ввел в астрономию, по существу, понятие неполного, но представительного фактического материала, придумав способ «звездных черпков» — подсчет звезд в избранных площадках неба — как указатель глубины простирания звездной Вселенной в этих направлениях (в предположении в среднем равномерного пространственного распределения звезд). При более детальном изучении закономерностей в распределении звезд Гершель впервые систематически использовал методы статистики и теории вероятностей, введенные в наблюдательную астрономию уже упоминавшимся Дж. Мичелом (1724—1793). Рассматривая чрезвычайно компактные области очень плотного видимого распределения звезд, Гершель показал невероятность для этих участков простирания (почти иглообразного!) общей звездной системы в глубину и вслед за Мичелом утверждал реальность скоплений звезд.

Таким образом, к 1785 г. он убедился, что наш звездный мир не бесконечен (!), и сделал правильный вывод о его изолированности в пространстве как одного из «островов» Вселенной среди других таких же, которые из-за их чудовищной удаленности выглядели маленькими млечными туманностями (к этому времени он и сам открыл их многие сотни). Несмотря на то что в действительности телескопы Гершеля не проникали до границ Галактики¹(он понял это позднее, при наблюдениях в крупнейший свой 40-футовый телескоп), общая сплюснутая форма Галактики уже проявилась, т. е. «черпки» дали ему представительный материал. Об этом свидетельствует близость к действительности его оценки сжатия Галактики (~ 1/5).

Даже сравнительно небольшой объем измеренной им части Галактики поражал гигантскими размерами по сравнению с Солнечной системой и даже со всей областью звезд, видимых невооруженным глазом. Единицей служило расстояние Солнце — Сириус при грубом допущении пропорциональности расстояния звездной величине звезды. Даже в этих чисто условных заниженных оценках размеры Галактики оказывались равными 850×200 ед., против 7 ед. для радиуса области звезд, доступных невооруженному глазу. Эта первая в истории астрономии оценка размеров звездной Вселенной имела существенное мировоззренческое значение. Недаром на работу Гершеля 1785 г. сразу и с восторгом откликнулся один из наиболее проницательных мыслителей той эпохи, физик, философ, астроном Г.К. Лихтенберг, немедленно сопоставивший конкретные оценки Гершеля и широчайшую космологическую концепцию Ламберта. Благодаря В. Гершелю представление о Млечном Пути из ранга элементов картины мира перешло в ранг достоверных знаний (рис. 22, а).

В изучении мира туманностей² Гершель первым увидел путь к познанию не только строения, но и развития Вселенной. Он первым попытался оценить размеры и расстояния других туманностей — сначала разложимых для него круглых (шаровых скоплений), а затем и млечных, обычно овальных, считая их также «млечными путями» (поэтому нашу Галактику он предложил называть Млечным Путем с большой буквы). Несмотря на сильное занижение расстояний в первые годы (в дальнейшем его оценки размеров Галактики возросли до десятков тысяч световых лет, а расстояний млечных туманностей — до миллионов световых лет), относительные значения этих величин убедительно рисовали картину именно островных вселенных: расстояния сильно превосходили размеры объектов. Более того, Гершель первым обратил внимание на вытекающий отсюда колоссальный возраст туманностей и на то, что, наблюдая их, мы как бы путешествуем на миллионы лет назад во времени. И хотя сам Гершель в духе века считал себя истинно верующим человеком, его научные результаты и выводы были первым прямым опровержением библейских сказок о сотворении всего мира 6 тысяч лет назад. Так, под напором мощных ударов наблюдательной астрономии, экспериментальной физики, показавших конечную скорость света, рушился «идейный оплот» религиозного мировоззрения. Второй раз за всю историю человечества религия, некогда приспособившаяся к учению Аристотеля, теперь вынуждена была вновь пересматривать некоторые свои существенные догматы и приспосабливаться к новому естествознанию, вместо того, чтобы диктовать ему, как это было не только в древности и в средние века, но еще и в середине XVIII в. (вспомним Бюффона!).

Рис. 22. Открытие В. Гершелем структурности Вселенной: а) сечение Галактики (1785), б) концентрация млечных туманностей к галактическим полюсам и неравномерность их распределения (тенденция к скапливанию — современная схема, подтверждающая выводы Гершеля)

Среди туманностей Гершель открыл также ряд двойных и кратных и даже связанных друг с другом перемычками и истолковал их в эволюционном смысле — как не полностью разделившиеся формирующиеся звездные системы (считая и перемычки состоящими из звезд). Это его открытие было полностью забыто; заново взаимодействующие галактики были открыты Б.А. Воронцовым-Вельяминовым лишь в середине XX в.

В 1784 г. В. Гершель впервые подметил ряд закономерностей крупномасштабной структуры мира туманностей. Он открыл тенденцию туманностей к скапливанию, стремление их располагаться в виде компактных куч (рис. 22, б) и объединяться, кроме того, в еще более крупные протяженные «пласты». Последние включали как отдельные туманности, так и скопления их. Наиболее богатый из открытых им пластов он назвал «пластом Волос Вероники» (см. рис. 23, а), по созвездию, где насчитал более всего туманностей. Этот вытянутый пласт проходил сравнительно неширокой полосой по созвездиям Девы, Большой Медведицы, Андромеды и ряду других, располагаясь в целом перпендикулярно Млечному Пути. Гершель предположил даже, что он, подобно Млечному Пути, может охватывать кольцом все небо. Пласт Волос Вероники действительно оказался северной частью пояса из ярких галактик, выделенного в 1953 г. Ж. де Вокулером. Последний назвал его «Млечным Путем галактик», или экваториальной зоной Сверхгалактики, в которую в числе десятков тысяч других входит и наша Галактика (вместе с Местной системой галактик).

Рис. 23. Этапы открытия Местного сверхскопления галактик: а) выделение на небе «пласта Волос Вероники» как фрагмента кольца «млечных путей» (В. Гершель, 1784), б) экваториальная область «Сверхгалактики Вокулера» (1953)

Такая интерпретация сверхскопления галактик как бы продолжала и подтверждала умозрительную концепцию Канта — Ламберта, по существу распространивших на всю Вселенную закономерности Солнечной системы с ее иерархией планет и спутников и характерной уплощенной формой.

Но у самого Гершеля, однако, нет иерархии. Он полагал, что огромные пласты туманностей, состоящие из отдельных туманностей и их скоплений (и даже индивидуальных звезд) и формирующиеся под действием сил тяготения (а потому, быть может, даже имеющие разный возраст!), — что эти пласты по-разному располагаются в пространстве и даже пересекаются друг с другом. Последнее заключение, очевидно, опиралось и на картину непосредственно наблюдавшегося им пересечения пласта Млечного Пути и Пласта Волос Вероники (здесь Гершель, конечно, упускал из виду разницу масштабов объектов).

В наблюдаемой им картине пластообразного распределения туманностей Гершель усматривал аналогию с картиной геологических пластов, в которых раскрывалась история Земли (такие идеи относительно Земли развивали в XVIII в. первые эволюционисты — Бюффон, 1749 и П.С. Паллас, 1777).

Высказывания Гершеля в 80-е гг. XVIII в. о глобальной структуре Вселенной туманностей (которые он тогда все считал далекими звездными системами, подобными Млечному Пути) весьма небезынтересно звучат в наши дни, когда постепенно утверждается представление о ячеисто-филаментарной структуре Метагалактики.

В структуре Метагалактики отдельные галактики и их скопления, как выясняется в последнее десятилетие, объединены в сверхскопления, которые сосредоточены в узких длинных «волокнах» (филаментах), соединяющих между собой наиболее богатые сверхскопления, располагающиеся в «узлах» — местах пересечения таких волокон. Третий вид сверхскоплений — сильно уплощенные объединения галактик и их скоплений, сосредоточенные как бы в тонких стенках объемной ячеистой сети (подробнее об этом ниже). Хотя гершелево открытие крупномасштабной структуры мира туманностей к началу нового этапа изучения этой структуры — уже как мира галактик — было забыто, оно задало определенное направление исследованиям. Но с середины XIX в. структурность мира туманностей рассматривалась лишь в свете идей иерархии систем, а затем получила иную, космогоническую интерпретацию, что надолго отвлекло астрономов-наблюдателей от космологической проблемы, точнее, от космологической интерпретации этого наблюдательного материала. Это было связано с ошибочным истолкованием природы млечных туманностей как сгустков диффузной материи, находящихся на пути к формированию из этой материи звезд и их скоплений.

Такая ошибочная интерпретация возникла под влиянием космогонических идей самого В. Гершеля.

Примечания

1. В отношении наблюдения отдельных звезд, а не других галактик, разумеется. Рабочими инструментами Гершеля были его 20-футовые (фокусное расстояние) ньютоновские рефлекторы с объективами до 0,5 м. Наибольший (40-футовый, с рабочим объективом 1,2 м) рефлектор был изобретенной Гершелем однозеркальной системы с наклонным зеркалом.

2. Из открытых им более чем 2,5 тысячи туманностей 80% составляют галактики, тогда как в каталоге Мессье их всего 1/3.