Астроном, не верь глазам своим!

Видели ли вы когда-нибудь, как заходит Солнце? Или Луну в тот момент, когда ее нижний край касается горизонта? Если нет, то обязательно посмотрите. Зрелище удивительнейшее. На горизонте оба светила теряют свою благородную круглую форму. На горизонте Солнце и Луна — сплюснуты!

Также и звезды кажутся нам выше над горизонтом, чем на самом деле. Причем, ближайшие к горизонту смещены больше, а те, что ближе к зениту, — меньше. Светила, находящиеся в зените, не смещены вообще. В древние времена астрономы заметили, что восход светил наблюдается немножко раньше положенного срока, а заход — чуточку позднее.

В чем же тут дело? Оказывается, все описанные явления имеют одну причину — атмосферу! Лучи света, проходя через атмосферу, преломляются. При этом, чем ближе источник света к горизонту, тем длиннее путь лучей в атмосфере и тем сильнее их искривление.

Это явление называется рефракцией — словом, уже вам хорошо знакомым по названию линзовых телескопов-рефракторов. Открыто явление рефракции было еще Птолемеем. Астрономическая рефракция не постоянна. Искривление световых лучей зависит не только от высоты светила, но и от состояния атмосферы, от ее температуры и давления. Получается, что даже самый прозрачный, самый чистый воздух для астрономов враг! Впрочем, если бы рефракцией дело ограничивалось, это было бы полбеды. Замечали вы, как мерцают звезды? Особенно это заметно у горизонта. Далекие огоньки подмигивают, и так и кажется, что они, как драгоценные алмазы, переливаются разными цветами... Ив этом повинна атмосфера.

Рефракция в атмосфере Земли. Луч света от звезды, проходя наклонно через атмосферу, изгибается, и потому кажется, что звезда находится выше, чем на самом деле

Проходя через воздух, свет то и дело попадает в области различной плотности и температуры, которые действуют подобно линзам, отклоняя лучи в ту или иную сторону. При этом фиолетовый луч, например, может отклониться больше, а красный — меньше. Вот и получается, что, кроме изменения блеска, нам кажется, что меняется и цвет звезды. Особенно красиво и отчетливо проявляется мерцание яркого Сириуса, когда он в зимние месяцы находится низко над горизонтом. Причина усиления мерцания звезд у горизонта в том, что чем толще слой воздуха, отделяющий нас от источника света, тем большее число воздушных струй пересекает луч. Сильнее и отклонение. Космонавты, поднявшиеся за пределы земной атмосферы, видят небо с немерцающими звездами. В безвоздушном пространстве ни рефракция, ни мерцание не мешают наблюдениям.

Заатмосферные наблюдения — можно ли придумать большее счастье для астронома? Недаром среди наблюдателей ходит крылатая поговорка, что после смерти все хорошие астрономы попадут на Луну...

Атмосфера Земли — страшный бич наблюдательной астрономии. Вы заметили, наверное, что, рассказывая о самом большом телескопе нашего времени — советском БТА, мы ни словом не упомянули об исследованиях планет. А уж, казалось бы, в такой телескопище не только Луна, но Марс и Юпитер должны казаться как на ладони. А на Луне-то наверняка можно будет рассмотреть колесо нашего лунохода или следы первых астронавтов... На самом деле — ничего похожего. Дрожание атмосферы так «размазывает» изображение, что наблюдать планеты в сравнительно небольшой телескоп даже удобнее, чем пользоваться гигантскими инструментами. Вот если бы увезти телескоп на Луну... или хотя бы вынести за пределы атмосферы... Впрочем, о мечтах астрономов-наблюдателей мы уже говорили.

Но не только атмосфера призывает астрономов к осторожности, призывает критически относиться к результатам наблюдений.

В 1841 году в Пражском техническом институте работал скромный профессор Христиан Доплер. Ученый мир увлекался только что открытым спектральным анализом. Отдавая дань моде, профессор Доплер исследовал спектр Солнца.

Сравнивая спектры различных веществ, вы легко замечаете одну важную особенность: каждый цвет находится всегда на одном и том же месте. Посмотрите два рисунка: непрерывный спектр, который дает обычная лампа накаливания, и линейчатый спектр света, излучаемого раскаленными парами некоторого вещества.

Если поместить обе фотографии друг под другом, то каждая полоска линейчатого спектра будет находиться точно в том месте, где расположен этот цвет в спектре непрерывном. Такое же соответствие можно заметить и для всех остальных цветов. То есть цвета спектра не могут сдвигаться. Так, например, желтая полоска натрия всегда «сидит» на своем «желтом» месте, а голубая линия водорода ни за что не съедет на красный конец спектральной шкалы. Это закон! И тем не менее, наблюдая спектры краев солнечного диска, Доплер обнаружил странную картину. Спектральные полосы смещались. Причем, если от правого края Солнца они переезжали вправо по спектру, то от левого — смещались влево... Синий край спектральной полоски «краснел», а красный — «голубел»... Это было unmöglich — невозможно.

Герр профессор не находил себе места, размышляя над загадкой, и... додумался! Очень уж дотошен был этот тридцатидевятилетний аккуратный профессор. Ход его рассуждений сложен, а мысль, высказанная первоначально, была отчасти ошибочной. Но идея верна. Суть сводилась к тому, что световые волны от источника, летящего навстречу наблюдателю, казались короче. (А короткие волны, как известно, создают эффект синего и фиолетового цветов.) А свет источника, удаляющегося от наблюдателя, «краснел», потому что его волны становились как бы более длинными.

Подобный эффект вы можете сами наблюдать на простой модели. Выберите ветреный день на озере и поверните неподвижную лодку носом навстречу волнам. «Шлеп, шлеп» — шлепают волны о нос неподвижной посудины. А теперь за весла — и вперед, навстречу волнам: «шлеп, шлеп, шлеп, шлеп...» Сразу замечаете, что частота шлепанья волн стала больше. Волны будто укоротились. Теперь тормозите веслами и гребите назад. Прислушайтесь: шлепанье волн стало реже. И если вам удастся сравняться с ними в скорости, то шлепанье и совсем прекратится.

Конечно, в этом эксперименте движение источника волн мы заменили движением наблюдателя. Но это не играет никакой роли.

Вернемся к загадке солнечного света. Почему спектральные линии одного солнечного края смещались в сторону более длинных волн, а другого — в сторону более коротких? Доплер был не только хорошим физиком, но и неплохим астрономом. Он предположил, что если наше светило вращается вокруг своей оси, то один его край непрерывно убегает от земного наблюдателя, а второй край так же непрерывно мчится навстречу. Но тогда световые волны от убегающего края должны удлиняться и весь спектр сдвигаться в красную область. По той же причине спектр набегающего края Солнца должен перемещаться в область более коротких «фиолетовых» волн.

Очень важный принцип открыл Христиан Доплер. Ведь если он прав, то по смещению разноцветных полосок спектра далеких звезд можно установить, движутся ли они относительно Земли или пребывают в покое. А это — решение многовекового спора, затеянного еще в незапамятные времена. Эффект Доплера позволил бы по величине спектрального смещения даже измерять скорости удаления или приближения звезд. Да, это могло бы быть поистине новым мощным оружием в исследовании мира звезд, но... только в том случае, если предположение Доплера верно. Трагедия же заключалась в том, что лабораторное исследование и лабораторное подтверждение эффекта Доплера ни у кого не получалось.

В 1888 году на должность адъюнкта в Пулковскую обсерваторию был приглашен выпускник Московского университета Аристарх Аполлонович Белопольский. Талантливый молодой человек, страстно любящий астрономию, прибыл в Петербург со своей идеей: во что бы то ни стало доказать существование эффекта Доплера опытным путем. Но для этого надо было заставить источник света двигаться по Земле со скоростью, сравнимой со скоростью света (300 000 км/сек)! Задача совершенно невыполнимая. Ведь даже снаряд — что может быть быстрее! — вылетал в те годы из ствола орудия, делая от силы метров пятьсот в секунду... Увлеченный проблемой, Белопольский упорно думал над способами ее воплощения в жизнь. Но решение не давалось. И вот однажды Аристарх Аполлонович зашел в парикмахерскую. На противоположных стенах заведения висели два зеркала, бесконечно повторяющие изображения любого предмета, появлявшегося между ними. При этом каждое последующее отражение уходило все дальше и скорость его движения становилась все больше... Белопольского озарило! А что, если соорудить два колеса, наподобие пароходных, с узкими зеркалами вместо спиц, отбросить на зеркальце луч света, а колеса закрутить?.. В некоторый момент, когда зеркальце одного колеса станет строго параллельно зеркалу другого, проскочивший между ними луч света будет отброшен на спектрограф и даст на фотопластинке спектр от движущегося источника. Аристарх Аполлонович бросился домой и засел за чертежи. Скоро экспериментальная установка была готова. Он сфотографировал спектр, проявил пластинку и прямо на мокром негативе увидел, что линии спектра смещены. Проблема была решена! Существование эффекта Доплера доказано экспериментальным путем! Теперь астрофизики могли спокойно пользоваться спектральным анализом для измерения скоростей движения звезд. А скорости-то оказались весьма значительными.

В 1916 году американский астроном Эдвард Барнард открыл слабенькую звездочку, которая за один год «пролетела» по небу Земли дугу в 10,3″ (угловых секунды). Это огромное перемещение, хотя оно равно всего двухсотой доле лунного диаметра. Зная расстояние до звезды, можно вычислить и скорость ее движения. Для звезды Барнарда она получилась 320 400 километров в час. По сравнению со скоростями движений других звезд маленькая звездочка — настоящий скороход. Ее так и назвали — «Летящая звезда Барнарда». С тех пор скорости собственного движения определены более чем у 40 000 звезд. Самая большая из измеренных звездных скоростей — 583 км/сек или 2 098 800 км/час. Ею обладает одно из малозаметных светил созвездия Голубя. Наше Солнце — тихоход. Вместе со всем своим семейством оно делает едва ли 20 км/сек, пролетая за час расстояние в 72 000 километров. Для звездного мира — скорость пустяковая. Если учесть, что до Веги, к которой стремится наше светило, примерно 25 световых лет, Солнцу понадобится 400 000 лет, чтобы подлететь к этой звезде. Столкновение нам не грозит. К тому времени сама Вега отодвинется примерно на такое же расстояние в сторону... Ведь даже самая близкая к нам Проксима из созвездия Центавра удалена на расстояние, которое свет преодолевает за 4,3 года. Это примерно 43 000 000 000 000 километров! Ну-ка, сравните с километрами расстояния от Земли до Солнца, если солнечному лучу нужно всего 8 минут, чтобы долететь до нас с вами? Реактивный самолет кажется медлительней божьей коровки, если смотреть на него с расстояния десятков километров. А тут этих километров триллионы! Далеко! Из-за чудовищных расстояний и кажется нам, что древние созвездия сохраняют свой рисунок неизменным.

Действительно, получается, что видимый свет не такой уж надежный информатор. Еще больше стало причин у астрономов, чтобы задуматься, нельзя ли получать сведения о звездах не только по их видимому свету, но и еще каким-нибудь иным путем...