§ 2. Первые астрофизические проблемы астрономии

Такими проблемами, как мы видели, стало изучение агрегатного состояния, температуры и химического состава Солнца и звезд. Кирхгоф первым высказал обоснованное предположение, что внутренняя часть Солнца не холодное твердое тело, а раскаленная жидкая масса (дающая непрерывный спектр), окруженная атмосферой из газа (поглощая в определенных линиях, он дает картину фраунгоферовых линий — перепись химических элементов, входящих в атмосферу Солнца).

В начале 60-х гг. английский астроном В. Хеггинс (1824—1910), сравнив лабораторные спектры различных веществ со спектрами звезд и Солнца, окончательно доказал единство их природы. Аналогичные выводы тогда же сделал итальянский астроном, один из основоположников астроспектроскопии А. Секки (1818—1878), изучивший в 1863—1868 гг. спектры около 4 тысяч звезд. Среди пионерских работ Хеггинса особенно выделяются его исследования спектров туманностей. Изучая их, он подтвердил разделение туманностей на два принципиально различных класса: «пылевые» (отражающие) и газовые; первые имели типичный «звездный» спектр с линиями поглощения, а вторые — типично газовый, из отдельных эмиссионных линий. Интерпретация первых как пылевых оказалась ошибочной (это были далекие галактики!). Во втором случае Хеггинс оказался прав, доказав реальность излучающих газовых туманностей, чрезвычайно разреженных диффузных образований (давнее открытие В. Гершеля).

Применив еще один новый мощный метод — появившуюся в 50-е гг. XIX в. в астрономии фотографию, — Хеггинс первым начал изучать спектры комет (и обнаружил в них углерод и характерные, как потом оказалось, для комет соединения CN и СН₂).

Французский астроном П. Жансен (1824—1907) в 1866 г. провел обширные лабораторные исследования спектров различных веществ и отождествил многие линии солнечного спектра с линиями известных химических элементов. Он первым начал изучать спектральным методом состав атмосфер планет.

В 1869 г. английский астроном Н. Локьер (1836—1920) открыл в спектре Солнца первый неизвестный тогда на Земле химический элемент и назвал его гелием (от греч. «гелиос» — Солнце). Он же раньше всех заподозрил присутствие на Солнце углерода. Лабораторное изучение спектров металлов позволило Локьеру увеличить число отождествленных элементов солнечной атмосферы с 14 в 1872 г. до 33 — к 1878 г. Проведя лабораторные исследования спектров газов при различных давлениях и температурах, Локьер впервые связал интенсивность спектральных линий с физическими условиями на небесных светилах.

Грандиозный переворот произошел в этой области после того, как Локьер и Жансен в 1868 г. независимо предложили способ внезатменного наблюдения протуберанцев и хромосферы Солнца. Они же стали пионерами спектрального исследования и наиболее труднодоступных деталей структуры его короны и ее состава.

Одним из первых начав исследования в области солнечной и звездной спектроскопии, Локьер положил начало новому направлению — исследованию процессов на небесных телах по изменению их спектров. Он обнаружил изменение спектра солнечных пятен в течение 11-летнего цикла солнечной активности и в 1873 г. пришел к своей гениальной идее «небесного разложения элементов» — в звездах под действием громадных температур в их недрах. Причем Локьер на основании исследования условий в солнечных пятнах заключил, что в зависимости от изменений физических условий этот процесс может осуществляться в несколько этапов, и каждый новый этап распада, «упрощения» химического элемента должен отразиться в его спектре. И хотя Локьер называл это «диссоциацией» (других процессов распада физики еще не знали), его идея предвосхитила, по существу, идею многократной температурной ионизации атомов в чудовищно раскаленных атмосферах звезд. Эти исследования привели Локьера к замечательному обобщению: «весьма малое число вполне самостоятельных субстанций сочетается в различных пропорциях и тем дает начало знакомым нам элементам». Приводя эти слова, известный историк астрономии XIX в. А. Кларк писала в 1902 г., что никакого подтверждения реальности существования таких субстанций нет. Реальность их была доказана спустя 9 лег (через 38 лет после высказывания самого Локьера) в модели атома Э. Резерфорда. Так решение одной из фундаментальных проблем физики (строения вещества) впервые на экспериментальной основе наметилось в молодой тогда астрофизике.

С именами Секки (1863), Фогеля (1874) и Локьера (1887) связано появление первых классификаций звездных спектров. Этим была подготовлена наблюдательная база для формирования научно обоснованных представлений о природе звезд и об их эволюции.

Открытие закона сохранения энергии остро поставило вопрос об источнике звездной энергии. Наиболее ранней попыткой его решения была гипотеза Р. Майера (1848) о разогреве Солнца за счет падения на него внешних тел (метеоритов). Проблемы источника звездной энергии, строения, состава и эволюции звезд объединились в главную проблему астрофизики.