Шкала расстояний по цефеидам

К концу XIX века астрономы начали осознавать, что Вселенная простирается далеко за пределы Солнечной системы. Планеты находятся на огромных расстояниях от Земли, но звезды расположены намного дальше. Однако астрономы не представляли, насколько на самом деле велики расстояния до звезд. Измерительное оборудование тех времен позволяло при помощи параллакса вычислять расстояния не более нескольких десятков световых лет.

Несмотря на произведенную Коперником революцию, астрономы все еще представляли Землю находящейся недалеко от центра Вселенной. Виной тому не только традиционный человеческий эгоизм. При подсчете звезд астрономы обнаружили, что их количество сокращается во всех направлениях довольно равномерно, так что было похоже, что мы и правда близки к центру мира. Они не знали о существовании межзвездного газа, равномерно во всех направлениях задерживающего свет от расположенных за ним объектов, что создает видимость изотропности пространства.

В 1908 году в небольшой группе девушек-вычислителей, помогавших Чарлзу Пикерингу в обсерватории Гарвардского колледжа, работала сотрудница по имени Генриетта Ливитт. Пикеринг понимал, что для выполнения кропотливой работы, связанной с методичным просмотром огромного количества фотопластинок со снимками с телескопов обсерваторий Гарварда, профессиональные астрономы не нужны. И действительно, молодые женщины, которым можно было платить намного меньше, хорошо справлялись с анализом изображений на пластинках, регистрируя блеск, спектральный класс и точное положение звезд и других астрономических объектов. Естественно, в силу своей «деликатной природы» непосредственных наблюдений женщины не проводили.

Пикеринг поручил Ливитт просматривать фотоснимки переменных звезд, называемых так потому, что их яркость периодически изменяется. У Гарварда была обсерватория в Перу, и Ливитт просматривала полученные оттуда фотоснимки с образцами звезд Малого Магелланова Облака (ММО), которые, наряду со звездами Большого Магелланова Облака (БМО), можно наблюдать только в Южном полушарии.

Сравнивая фотопластинки с изображениями 16 звезд-гигантов, называемых цефеидами (или переменными звездами), Ливитт сделала открытие, значимость которого впоследствии оказалась огромной. Она заметила, что длительность периода изменения блеска, то есть времени, которое проходит между пиками светимости, прямо пропорциональна светимости звезды. Поскольку эти звезды находятся примерно на одинаковом расстоянии от Земли, она рассудила, что наблюдаемая светимость цефеид ММО должна напрямую зависеть от их истинной светимости. Ливитт обнаружила связь между периодом и пиковой светимостью, благодаря чему стало возможно измерять расстояния, значительно большие, чем те, которые можно измерить, используя параллакс.

Ливитт пришлось отложить свою работу из-за хронической болезни. Однако к 1912 году ее коллекция пополнилась еще девятью цефеидами из ММО, и она опубликовала статью на три страницы в № 173 Циркуляра Гарвардской обсерватории. В статье содержался график, на котором в логарифмическом масштабе отображалась связь между периодом и яркостью цефеид. Этот график стал известен как зависимость «период — светимость»^{105}.

Вдали от центра

В 1908 году Джордж Эллери Хейл установил в калифорнийской обсерватории «Маунт-Вилсон» самый мощный телескоп тех времен — 60-дюймовый рефлектор, направленный в кристально чистое ночное небо над Лос-Анджелесом. В 1912 году новым сотрудником обсерватории стал Харлоу Шепли. Родом из сельской местности штата Миссури, он в прошлом работал криминальным репортером, но впоследствии окончил Принстонский университет, получив докторскую степень по астрономии. Шепли интересовали шаровые скопления — сферические звездные системы, содержащие сотни, а иногда и тысячи звезд.

Ему (или его жене Марте, астроному-любителю) удалось обнаружить в этих скоплениях множество тусклых голубых гигантов. Сравнивая их наблюдаемую светимость со светимостью звезд того же типа, находящихся недалеко от Солнца, он определил, что они расположены на расстоянии не менее 50 тыс. световых лет от нас — на два порядка дальше, чем наиболее удаленные звезды, расстояние до которых было рассчитано с помощью параллакса.

К сожалению, в шаровых скоплениях либо совсем не было цефеид, либо их было очень мало. Более того, Шепли обнаружил, что периоды некоторых цефеид намного короче, чем периоды цефеид из ММО, о которых писала Ливитт. Из-за этого Шепли вначале колебался, стоит ли применять открытую Ливитт зависимость «период — светимость» к цефеидам с более короткими периодами. Однако он был ученым не робкого десятка и все же рискнул. Он измерил расстояния до цефеид, которые обнаружил на фотографиях своих шаровых скоплений, применив выявленную Ливитт зависимость «период — светимость».

Это делается так: вначале измеряется период цефеиды. Из зависимости «период — светимость» выводится истинная светимость звезды. Звезда излучает свет в направлении поверхности воображаемой сферы с увеличивающимся радиусом г, при этом количество энергии на единицу площади снижается с увеличением площади сферы по формуле 1/r² согласно закону сохранения энергии. Таким образом, сравнивая измеренное значение светимости с наблюдаемым, можно определить расстояние до звезды.

Расстояния до скоплений, в которых не было цефеид или они были слишком тусклыми, чтобы измерить их светимость, Шепли оценивал, используя в качестве ориентира наиболее яркие звезды. Если нельзя было различить отдельные звезды в скоплении, он измерял расстояние, исходя из размеров скоплений.

Используя эти методы, Шепли определил, что Млечный Путь имеет форму эллипса и простирается примерно на 300 тыс. световых лет в ширину. Он сделал вывод, что это, должно быть, и есть вся Вселенная. Все его воображение не смогло помочь ему представить Вселенную больше этих размеров.

Шепли обратил внимание на то, что центр распределения шаровых скоплений находится не в районе Земли. Центр оказался ближе к созвездию Стрельца. (Он был не первым, кому это пришло в голову.) По оценкам Шепли, Солнце располагалось на расстоянии 65 тыс. световых лет от центра Галактики.

На самом деле Шепли несколько переоценил эти расстояния. Согласно последним данным, диаметр Млечного Пути составляет 100–120 тыс. световых лет, а наше Солнце лежит в 27 тыс. световых лет от центра Галактики.