Как быстры звезды?

Одним из достижений потсдамских астрофизиков - наряду с выполнением ряда больших обзорных программ (например, Потсдамского фотометрического обозрения) - является работа Фогеля и его сотрудников по измерению линейных смещений в спектрах звезд. По совету Цёльнера, Фогель еще в период пребывания в Боткампе предпринял попытку оценить величину смещений линий в спектрах звезд путем сравнения с лабораторными данными. Таким путем Фогель предполагал определить радиальные компоненты скорости звезд.

Теоретические основы этого метода были заложены в классических работах австрийского физика и математика Кристиана Доплера (1803-1853). В 1842 г. он впервые высказал предположение, что частота электромагнитного излучения, воспринимаемого наблюдателем от быстро движущегося источника, должна изменяться, когда источник приближается или удаляется в радиальном направлении, и это смещение можно измерить. Если светящийся объект со значительной скоростью приближается к наблюдателю (или удаляется от него) в направлении луча зрения, то цвет светового пучка изменяется. Эти рассуждения позволили астрономам сделать далеко идущее предположение: все звезды от природы являются белыми, а их видимая различная окраска обусловлена тем, что они движутся в радиальном направлении с высокими скоростями.

Конструкция телескопа для наблюдения Солнца в обсерватории Маунт-Вилсон; показаны два отклоняющих зеркала целостата (1), направляющие свет в шахту башни, где расположен объектив, который может перемещаться по высоте

На основании спектральных исследований неподвижных звезд юный Эрнст Мах (1838-1916) установил, что для получения информации о радиальной скорости звезд следует изучать положение линий в их спектрах. В 1868 г. пионер английской астрофизики Уильям Хёггинс (182Ф-1910) предпринял первые измерения яркой звезды Сириус в созвездии Большого Пса. Правда, точность этих измерений была весьма низкой. Не лучше дело обстояло и у Фогеля, когда он в 1871 г. попытался измерить смещение линий в спектрах света от противоположных краев солнечного диска, надеясь таким образом определить скорость вращения Солнца. Несколькими годами позже Фогель применил для этих целей метод фотографирования звезд, оказавшийся весьма результативным. Фотопластинка позволяла существенно увеличить точность измерений. Живой интерес специалистов вызвала работа Фогеля "Об определении скорости звезд вдоль радиуса визирования с помощью спектрографических наблюдений". Здесь были приведены данные о лучевых скоростях Сириуса, Проциона, Ригеля и Арктура. Четыре года спустя Фогель развил свой метод дальше и убедительно продемонстрировал пригодность полученных им результатов.

Потсдамская астрофизическая обсерватория (ГДР)

Применение спектроскопии для изучения звезд принесло Фогелю и другой шумный успех. В спектре двух переменных звезд (Алголь в созвездии Персея, Персея, и Спика в созвездии Девы, а Девы) он обнаружил периодические смещения линий. Фогель объяснил этот факт, предположив, что Алголь не является отдельной звездой, а представляет собой систему из двух звезд - двойную звезду. Движение компонентов системы вокруг общего центра тяжести приводит к тому, что линии в спектре одной из звезд смещаются в красную область (когда она удаляется от наблюдателя) и в синюю (когда она приближается к нему). Поскольку оба компонента оптически неразличимы, эти два спектра накладываются друг на друга, и движение проявляется в периодическом смещении линий.

С того момента, когда примерно в 1669 г. итальянский астроном Монтанари обнаружил изменения светимости Алголя, ученые тщетно пытались найти причину того, что в течение примерно 69 ч яркость звезды уменьшается больше чем на одну звездную величину, затем на короткое время увеличивается, а потом снова в течение 69 ч падает до прежнего значения. Фогель лишил звезду ее таинственности. Более того, совместно с астрономом Юлиусом Шейнером (1858-1913) он на основании спектральных фотосъемок получил целый ряд данных о системах двойных звезд, их диаметрах, а также значениях лучевых скоростей ярких компонент и расстояниях между ними. Таким образом, Потсдамская астрофизическая обсерватория проложила путь к систематическому изучению изменяющихся объектов Вселенной, и в частности спектроскопическому исследованию двойных звезд.

Метод измерения лучевых скоростей звезд был значительно усовершенствован Пикерингом, который предложил помещать перед объективом телескопа огромную призму и с ее помощью одновременно получать множество звездных спектров. Этот метод сыграл большую роль и при проведении "спектральных обзоров".

Только благодаря ему Гарвардская обсерватория смогла в течение 6 лет создать каталог, содержащий спектры 225 300 звезд.

Однако первоначально лишь очень немногие ученые смогли оценить важность и необходимость астрофизических исследований. Следует помнить, что тем богатством астрофизических результатов, которое удалось накопить к концу XIX в., мы прежде всего обязаны вдохновенному труду малой группы ученых. И в большинстве своем это были физики, интересовавшиеся исследованием Вселенной и смело применявшие новые методы для получения новых знаний о космических объектах.

"Классические" же астрономы занимались выполнением глобальных программ по сбору данных, главным образом в области позиционной астрономии. Их кредо в свое время сформулировал Бессель, видевший главную задачу астрономии в определении положений звезд и вычислении движений небесных тел.

Астрограф Дрэпера. Этот прибор был использован в Гарвардской обсерватории для проведения работ по спектральной классификации звезд. Сейчас инструмент находится в Коперниковской обсерватории в Тбруне (ПНР)

Огромные усилия для решения этой задачи предпринимал ученик Бесселя Аргеландер. Он предложил основанному в 1863 г. Астрономическому обществу обширный проект, предполагавший наблюдение всех звезд со склонениями в интервале от - 2 до + 80° и яркостью вплоть до 9-й звездной величины. В реализации этого плана участвовали 17 обсерваторий мира, в том числе обсерватории в Пулкове, Бонне и Берлине. (Было также решено через 50 лет полностью повторить эту программу, чтобы иметь возможность получить "непротиворечивые сведения" о собственном движении звезд). Этому вопросу посвящались и многочисленные публикации. Так, в известном журнале Astronomische Nachrichten- рупоре международной астрономии - почти за все девятнадцатое столетие (включая решающее для развития астрофизики десятилетие 1870 - 1880 гг.) опубликованные работы по астрофизике составляли только около 2%. Остальные 98% приходились на долю данных об астероидах, кометах и пр. Но именно эта незначительная по объему доля астрофизических работ за исторически короткий промежуток времени привела к коренному изменению проблематики астрономических исследований и открытию новых путей познания.

Увеличенная часть снимка области неба, полученного с помощью призменного объектива. Видны звезды различных спектральных классов

Однако неоспоримые успехи первых десятилетий нового направления: спектроскопическое изучение звездного света, улучшение методов измерения яркости и робкие попытки использовать фотографию для астрономических исследований - были только прелюдией к тому, что последовало в двадцатом столетии.

Решающий сдвиг в положении астрофизики и ее роли в исследовании космических процессов произошел в начале нашего века, ознаменовавшегося бурным развитием теоретической физики, символами которой являются пионеры современной физики- Макс Планк (1858-1947) и Альберт Эйнштейн (1879-1955). Импульсы обновления, которые внесли в физику эти великие умы, открыли новые пути к пониманию процессов во Вселенной и способствовали такому взлету науки, о каком и не могли помышлять ученые, стоявшие у колыбели астрофизики. Достижения теоретической физики служили своего рода компасом, который указывал направление пока еще плутающим в потемках исследованиям и вел к поистине сенсационным результатам.

Двойной рефрактор Потсдамской астрофизической обсерватории