Снимки с телескопа Hubble, измерение расстояний до отдаленных звезд, радиоастрономические наблюдения — все это было бы невозможным без открытий, сделанных героинями этого рассказа.
Генриетта Свон Ливитт
Генриетта Свон-Ливитт благодаря кропотливому труду по исследованию переменных звезд предложила метод измерения расстояний до далеких светил.
Открытие Ливитта привело к пониманию современной астрономией структуры и размера Вселенной. Благодаря ее новаторским исследованиям стали возможны достижения Эдвина Габбла, который нашел расстояние до ближайшей галактики и установил, что Вселенная расширяется. Дело в том, что до 1920-х годов астрономы считали, что Вселенная ограничивается только нашей Галактикой.
Но в 1923–1924 годах Эдвин Хаббл, измерив расстояния до нескольких цефеид в галактике Туманность Андромеды, методом, разработанным Генриеттой Свон-Ливит, понял, что они расположены гораздо дальше, и что Туманность Андромеды — это отдельная галактика, звездная система, находящаяся за пределами Млечного Пути. Вычисленное им расстояние равнялось 900 000 световых лет.
Генриетта Свон-Ливитт родилась в 1868 году, получила образование в Оберлин-колледже и в Гарвардском колледже Рэдклиффа. После окончания учебы устроилась на работу в Гарвардскую обсерваторию, где получила должность ассистента у профессора астрономии Эдуарда Чарльза Пикеринга. Вместе с десятком других женщин занималась анализом фотопластинок — каталогизировала звезды и отмечала, как изменялась их яркость.
Ливитт и его коллег гарвардские ученые в шутку назвали «гарем Пикеринга». Работая над фотографическими пластинками снимков Магеллановых облаков, полученными в Арекипской обсерватории в Перу, она открыла 2400 сменных звезд. Свой первый каталог из 1777 сменных звезд опубликовала в 1908 году.
Изучение цефеид привело ее к открытию зависимости между периодом смены блеска и светимости звезды, что впоследствии стало методом, благодаря которому астрономы смогли измерять расстояния до звезд в нашей Галактике и за ее пределами. Ливитт обратила внимание, что светимость цефеида изменяется с четкой периодичностью, это подтолкнуло ее создать шкалу расстояний посредством соотношения периода изменения их блеска и светимости, что позволило ученым вычислять расстояния до далеких звезд, к которым из-за слишком больших расстояний не может быть применен звездный параллакс. Это соотношение названо в ее честь — «закон Ливитт».
Совместно с Пикерингом ею был разработан стандарт фотографических измерений блеска светил, который получил международное признание в 1913 году и назывался «Гарвардский стандарт».
Через год после того, как Ливитт сообщила о своих результатах, Эйнар Герцшпрунг определил расстояние до нескольких цефеид в Млечном Пути и подтвердил, что с помощью этой калибровки можно точно определить расстояния до любых звезд.
Проработав до конца жизни в обсерватории Гарвардского университета, Генриетта Свон-Ливитт умерла в 1921 году. Эдвин Хаббл часто говорил, что Ливитт заслужила Нобелевскую премию за свою работу. Математик Миттаг-Леффлер, член Шведской академии наук, пытался выдвинуть ее на эту премию в 1925 году, но узнал, что она умерла тремя годами ранее. В честь ученой назван астероид (5383) Ливитт и кратер на Луне.
Руби Вайолет Пэйн-Скотт
Руби Вайолет Пэйн-Скотт: пионерка радиофизики и радиоастрономии, первая женщина-радиоастроном. Она отметила, что Солнце излучает как свет, так и мощные потоки электромагнитных волн, которые невидимы, но их можно услышать, и первой наблюдала радиоизлучение, идущее от солнечных пятен и солнечной короны.
Родилась и выросла в Австралии. С юности умела так настроить радио, чтобы услышать даже самый слабый сигнал. Окончив школу в 1926-м, она выиграла две стипендии для получения высшего образования в Сиднейском университете, изучала там физику, химию, математику и ботанику. После окончания продолжила заниматься наукой. Сначала изучала влияние магнитного поля Земли на живые организмы и связь радиации с онкологическими заболеваниями. Затем некоторое время работала в компании, которая производила электронику — каталогизировала и калибровала оборудование для радиотехников. После этого перешла в Организацию научных и промышленных исследований австралийского правительства.
Во время Второй мировой войны Руби занималась секретной работой по исследованию радиолокационных технологий, которые могли бы отслеживать приближение японских истребителей.
Все время она была на прицеле у контрразведки как член коммунистической партии и феминистка. Коллеги называли ее Red Ruby — Красный Рубин.
После войны лаборатория радиофизики перешла от разработки радиолокационных систем к применению их для научных исследований. Опыт Пэйн-Скотт как физика, оказался полезным и отличал ее среди коллег-инженеров, не имеющих формального образования в этой области. В октябре 1945 года Пэйн-Скотт вместе с коллегами установила связь между потоком радиоизлучения и активностью образования пятен на Солнце. Выводы своих исследований они опубликовали в феврале 1946 года в журнале Nature. В декабре 1945 года Руби Пэйн-Скотт подготовила доклад по результатам своих наблюдений, проведенных в лаборатории, и предложила будущие направления исследований.
В феврале 1946 года Пэйн-Скотт с коллегами осуществила первый эксперимент по использованию радиоинтерферометрии для астрономических наблюдений. Результаты их работы подтвердили, что интенсивное радиоизлучение происходит от солнечных пятен и существует еще излучение солнечной короны в метровом диапазоне. Исследования Руби были сосредоточены на шуме солнечного ветра и их связи с активностью солнечных пятен.
В послевоенные годы ученая сосредоточилась на исследовании радиоизлучения от Солнца и обнаружила вспышки разных типов. В рамках этого исследования Руби разработала и построила интерферометр, с помощью которого можно было делать карты мощности излучения и поляризации Солнца каждую секунду, и проходила запись на видеокамеру выбросов корональной массы Солнца.
В 1944 году Руби тайно вышла замуж, потому что в то время закон Австралии запрещал замужним женщинам иметь постоянную должность на государственной службе. В конце концов, обман раскрылся, и Руби, несмотря на ее протесты, вывели за штат. В 1951 году перед рождением ребенка она уволилась.
В августе 1952 года Руби ненадолго вернулась в радиоастрономию, приняв участие в 10-м общем собрании Международного союза радиологии в Сиднейском университете. После этого больше в науку она не вернулась.
Нэнси Грейс Роман
Нэнси Грейс Роман: одна из первых женщин-руководителей NASA. Ее называли «матерью Хаббла» за ее главную роль в разработке этого космического телескопа.
Фото: Wikipedia
Нэнси с детства увлекалась астрономией. Когда ей исполнилось одиннадцать лет, она даже создала астрономический клуб среди одноклассников. Они собирались раз в неделю и читали книги о Вселенной. Уже в старших классах школы Роман знала, что хочет стать ученой и заниматься астрономией.
В 1950-е, уже будучи доктором наук и совершив одно открытие, найдя изменения в спектре излучения звезды AG Дракона, она была вынуждена уйти из Чикагского университета, когда поняла, что не сможет строить карьеру в науке, потому что она — женщина. Для женщин того времени было сложно получить работу на исследовательских должностях университета. И Нэнси перешла работать в Военно-морскую исследовательскую лабораторию. Здесь ее окружали не только ученые, но и инженеры, с которыми она научилась находить общий язык. Впоследствии это умение очень пригодилось, когда она стала руководителем отдела NASA.
Однажды на открытой лекции известного физика к Нэнси подошел человек из только что созданного NASA и спросила, не знает ли он кого-нибудь, кто мог бы возглавить в агентстве программу по космической астрономии. Нэнси решила, что ей самой нужно подать заявление, и в 1959 году ее утвердили на эту должность. Нэнси Роман стала первым начальником отдела астрономии в NASA и первой женщиной, назначенной на руководящую должность в космическое агентство. В своей деятельности она путешествовала по стране, выступала на факультетах астрономии, узнавала, чего хотят другие астрономы, и рассказывала о преимуществах наблюдений из космоса.
За период работы в NASA Роман разрабатывала бюджет различных космических программ и организовывала для участия в них ученых. Принимала участие в запуске трех орбитальных солнечных обсерваторий и трех малых астрономических спутников. Эти спутники использовали ультрафиолетовые и рентгеновские технологии для наблюдения за Солнцем, и другими объектами космоса. К ее запускам относятся и четыре геодезических спутника.
Нэнси Роман руководила проектами вывода на орбиту телескопов, которые осуществляли наблюдения в ультрафиолетовом спектре. Построить космическую обсерваторию, которая бы наблюдала астрономические объекты в видимом диапазоне длин волн, было сложнее. Она тратила много сил на то, чтобы найти финансирование для этого проекта, потому что он был слишком дорогим. Однажды сенатор спросил ее, почему американские налогоплательщики должны платить за такой дорогой телескоп. Нэнси объяснила: необходимая сумма — это если бы все жители Америки один раз сходили в кино. За это они получат 15 лет увлекательных открытий.
Космический телескоп Hubble проектировали и строили 12 лет, и вывели на орбиту, когда Нэнси уже вышла на пенсию. Он позволил сделать прорывные открытия в астрономии и стал одним из самых известных аппаратов, запущенных на орбиту. За годы работы на околоземной орбите Hubble получил 700 тыс. изображений 22 тыс. небесных объектов: звезд, туманностей, галактик, планет.
Поток данных, которые он ежедневно генерирует в процессе наблюдений, составляет около 15 Гб. Общий их объем, накопленный за все время работы телескопа, превышает 20 терабайт. Весь мир восхищался снимками различных космических объектов, полученных с помощью Hubble. Около 4000 астрономов получили возможность применять его для наблюдений, опубликовано более 4000 статей в научных журналах.
Сейчас NASA готовит к запуску новый инфракрасный космический телескоп. Он выйдет на орбиту в 2027 году и будет называться в честь Нэнси Грейс Роман.
В космических исследованиях важна как детализация снимков, так и их масштабность. Телескопы вроде Hubble или James Webb обладают чрезвычайной чувствительностью, что позволяет подробно рассматривать очень удаленные объекты. Roman позволит рассматривать масштабное панорамное «полотно», он будет сконструирован с гораздо большим полем зрения.
На изображении видно, как по масштабу съемки будут отличаться возможности Roman и Hubble. Телескоп будет применяться для решения задач вроде подсчета числа экзопланет в отдельно взятой галактике, наблюдений за распределением галактик для изучения темной материи. Одним из преимуществ Roman будет то, что, помимо большого поля обзора, он сможет делать снимки очень быстро, в 1000 раз быстрее, чем Hubble. По данным Центра Годдарда, Roman будет делать около 100 тыс. снимков в год.
Вера Рубин
Вера Рубин: подтвердила существование темной материи. Изучая кривые вращения галактик, она обнаружила расхождения между предполагаемым круговым движением галактик и наблюдавшимся движением. Этот факт стал одним из основных свидетельств в пользу существования темной материи.
Мы можем смотреть на удивительные снимки космических объектов, сделанные с помощью различных телескопов, но большую часть Вселенной мы не видим. И это не из-за дальних расстояний, а из-за того, что вся видимая материя составляет лишь около 5% Вселенной, 68%, от всей видимой Вселенной занимает темная энергия, еще примерно 27% — темная материя. О ее существовании астрономы догадывались еще в 1930-е годы, но доказать существование этого странного вещества помогли наблюдения, сделанные в 1970-е Верой Рубин.
Гипотеза о существовании темной материи была высказана в 1933 году американским астрофизиком Фрицем Цвикки. Так он окрестил вещество неизвестной природы, которое спрятано от оптических наблюдений в далеком космосе и обнаруживает свое существование исключительно собственным притяжением, влияющим на структуру галактик.
Цвикки не был оригинальным в придумывании нового термина в астрономии. Впервые словосочетание «темная материя» в таком же смысле употребил шведский астроном Кнут Эмиль Лундмарк в 1930 году, а еще через год использовал его коллега из Нидерландов, классик галактической астрономии Ян Хендрик Оорт. Однако тогда никто не обратил внимание на этот термин, и работа Цвикки не вызвала особого интереса.
Вплоть до 70-х годов прошлого века существование материи, не светящейся во Вселенной, было лишь хорошим предположением. Но времена менялись, увеличивался массив астрономических данных и чисто теоретическое предположение начало подтверждаться. Первой, кто начал это исследовать, была Вера Рубин. Она обратила внимание, что орбитальные скорости некоторых скоплений звезд противоречат законам физики, и заключила, что на них влияют какие-то невидимые, но мощные источники гравитации.
В 1965 году Рубин начала работать в отделении земного магнетизма Института Карнеги, где молодой сотрудник Кент Форд недавно сделал высокоточный спектрограф, позволявший изучать дальние объекты, гораздо слабее, чем были по силам инструментов того времени. Рубин и Форд решили исследовать, с какими скоростями движутся звезды в галактиках на разных расстояниях от центра, и выбрали для наблюдений ближайшую к Млечному Пути спиральную галактику Туманность Андромеды.
Опираясь на ньютоновскую теорию притяжения, ученые предполагали, что в таких галактиках более далекие от центра светила должны двигаться медленнее. Но, к своему удивлению, астрономы убедились, что на самом деле это не так: далекие звезды двигаются так же быстро, как и те, что находятся ближе к центру.
К концу 1970-х годов Рубин и ее коллеги исследовали уже десятки подобных галактик и пришли к таким же выводам. Это означало, что звезды в галактиках содержались еще чем-то, кроме видимого вещества, наблюдаемого в телескоп. Анализ движения светил показал, что большинство спиральных галактик погружены в сфероидальное гало темной материи, которое никак не выдает себя в оптическом диапазоне, а в 5–10 раз массивнее видимого вещества галактик и простирается гораздо шире, чем видимая часть галактики.
В те годы к выводам Рубин в научном мире отнеслись осторожно, потому что они противоречили законам Ньютона. Однако позже, подтвержденное многократно наблюдениями, ее открытие получило всеобщее признание в научном мире.
В течение своей научной карьеры она неоднократно сталкивалась с враждебностью со стороны коллег-мужчин. Хотя ей очень повезло с преподавателем математики, о котором она упоминала как лучшего наставника своих школьных лет. А вот ее отношения с учителем физики не сложились настолько, что тот в прощальном разговоре открытым текстом заявил, что ни в коем случае не рекомендует ей заниматься наукой.
Позже ей отказали в изучении курса астрономии в Принстоне, а также в проведении наблюдений на телескопе Хейла, куда женщины не допускались до середины 60-х годов. Несмотря на это, Рубин оставалась сосредоточенной на работе, сохраняя положительный настрой. Хотя совсем невесело было сталкиваться с предубеждениями и стереотипами. Когда Вера начинала свою научную карьеру в 1950-е, то регулярно слышала в свой адрес неуместные замечания. Например, на одном из собеседований ей предложили оставить научные исследования и заниматься рисованием космических объектов.
Вера не сдавалась. Она не только боролась с предубеждениями, но и помогала своим коллегам-женщинам. «В науке нет задачи, которую мог бы решить мужчина, но не могла бы решить женщина», — говорила она. И добавляла: «Женщинам принадлежит половина мозгов в мире».
За свою работу Вера Рубин была неоднократно отмечена разными наградами: так, она стала второй в истории женщиной, удостоенной золотой медали Королевского астрономического общества, кроме этого, она была членом Национальной академии наук США и награждена национальной научной медалью в 1993 году.
В течение многих лет Веру Рубин называли возможной претенденткой на присуждение Нобелевской премии по физике, однако этого так и не произошло.
Сьюзен Джоселин Белл
Сьюзен Джоселин Белл: первооткрывательница пульсаров.
Пульсары — нейтронные звезды, вращающиеся вокруг своей оси и посылающие в космос лучи радиоволн. Их сигналы могут использоваться как эталон времени и ориентиры для спутников, а едва заметные отклонения в пульсации — для изучения гравитационных волн. В 1974 году за открытие пульсаров астроном Энтони Гьюиш получил Нобелевскую премию. Правда, первой из них заметила аспирантка Сьюзен Джоселин Белл Бернелл.
В 1967 году они с Энтони Гьюишем исследовали небо с помощью радиотелескопа в поисках квазаров — квазизвездных радиообъектов, открытых десятилетием ранее. Он разработал радиотелескоп для таких объектов, которые построили своими руками его студенты, Белл также непосредственно принимала в этом участие. Под его руководством Гьюиш Белл, собирая материал для диссертации, занималась эксплуатацией радиотелескопа и просмотром записей его самописцев. Ежедневно Белл просматривала распечатанные на бумаге графики, которые удаленно похожи на кардиограмму, и искала признаки источников сильного радиоизлучения. Белл научилась отличать шумы от нужных сигналов. Но однажды она натолкнулась на странные вещи в записях, которые сначала признала ошибкой. Они не походили ни на сигнал от компактного источника, ни на шумы, и принадлежали к одному и тому же участку неба. Белл предположила, что это сигналы от точечного источника — звезды, однако промежуток между импульсами был слишком мал для переменных звезд — всего лишь секунда с третью. Гьюиш полагал, что эти сигналы связаны с человеческой деятельностью. Однако Белл продолжила их изучение и смогла убедить его провести более детальное исследование, в результате которого гипотеза об их земном происхождении отпала. Также не исключалась возможность, что это были сигналы радиомаяка от внеземной цивилизации. Источник сигнала даже получил обозначение «LGM-1», от английского Little green men — «маленькие зеленые человечки».
Сигналы появлялись снова и снова, так что наконец Белл поняла, что это не ошибка, а неизвестный науке космический объект, который не просто испускает радиоизлучение, а делает это с четкой периодичностью.
Вскоре Белл обнаружила еще три сигнала примерно такой же периодичности, что исходили из трех совсем других участков неба, и стало ясно, что это сигналы от представителей нового класса астрономических объектов. Они получили название «пульсары» за свои периодические пульсации в радиодиапазоне.
Но Нобелевскую премию получила не Белл, а ее научный руководитель Энтони Гьюиш. В то время в Британии женщинам-ученым очень часто приходилось бороться с общественным давлением, потому что замужние женщины не работали. Считалось, что если она работает, то мужчина недостаточно зарабатывает для содержания семьи. Белл вышла замуж, родила ребенка, и все ждали, что она оставит науку. Но уже через несколько лет она снова занялась тем, что любила больше всего — изучением нейтронных звезд, — и собрала собственную группу астрофизиков в Оксфордском университете.
Белл никогда не вступала в споры о том, кто должен был получить Нобелевскую премию за открытие пульсаров. В 2018 году она получила премию Breakthrough — и всю ее ($3 млн) передала организации, поддерживающей молодых ученых.
Сейчас Джоселин Белл — самая влиятельная астрофизик Британии, член Королевского общества Эдинбурга, Лондонского королевского и Американского философского общества. Награждена медалью Гершеля, Королевской и Золотой медалью от Лондонского королевского общества, Президентской медалью Института физики, Большой медалью Французской академии наук и многими другими отличиями.
