Чи є наша Галактика єдиною, що існує у Всесвіті? Чи насправді він простягається далеко за її межі? Зараз ми впевнені у правильності другої відповіді. Однак вперше це було доведено 100 років тому, коли астроном Едвін Габбл прочитав на зібранні Американського астрономічного товариства доповідь про відстань до Туманності Андромеди.
Доповідь, прочитана 1 січня
1 січня — день, коли всі святкують початок Нового року, мало хто думає про нудну роботу і здається, що нікому не спаде на думку влаштовувати якісь засідання. Однак саме 1 січня сто років тому відбулося засідання Американського астрономічного товариства, на якому не дуже відомий тоді науковець Едвін Габбл розповів, як він виміряв відстань до Туманності Андромеди.
З опису може здатися, що було це щось нецікаве, але насправді саме тоді людство остаточно переконалося, що Всесвіт набагато більший, ніж здається, і почала затверджуватися сучасна картина світу, в якій космос наповнюють сотні мільярдів галактик.
Саме дослідження Габбла показало, що Всесвіт не обмежується одним тільки Чумацьким Шляхом. Але для того, аби зрозуміти, наскільки важливою була та доповідь, яку Габбл прочитав 1 січня 1925 року, треба знати, як змінювалися уявлення про космос протягом останніх століть.
Від Сонячної системи — до Галактики
Ще шість століть тому в уяві більшості астрономів Всесвіт був надзвичайно малим, якщо міряти його сучасними мірками. У центрі його розташовувалась Земля, навколо неї оберталися планети, Місяць та Сонце, а за ними була сфера, на якій висіли нерухомі зорі.
Коли Миколай Коперник у першій половині XVI століття довів, що в центрі всього розташована не Земля, а Сонце, то при всій важливості цього відкриття, по суті, мало що змінилося, бо Всесвіт так і лишився обмеженим Сонячною системою.
Справжня революція в уявленнях про нього непомітно відбувалася вже у XVIІІ столітті. У 1718 році англійський астроном Едмунд Галлей прискіпливо вивчив астрономічні записи за кілька століть і показав, що зорі насправді не є нерухомими, а в наступні десятиліття вчені встановили, що вони можуть мати різну світимість і перебувати на різній відстані від нас.
На перший погляд, здавалося, що вчені викинули людство зі стабільного і зрозумілого Всесвіту, у якого центром було Сонце, у повний хаос із купою незрозумілих об’єктів, і Сонце було лише одним із них.
Проте й у цьому гігантському хаосі достатньо швидко знайшли закономірність. Ще у 1616 році Галілео Галілей довів, що світла смуга Чумацького Шляху є скупченням дуже дрібних зір. Та й подальші спостереження показували, що кількість світил більшає поблизу від неї.
Усе це дозволило в середині XVIІІ століття спочатку Томасу Райту, а потім і Іммануїлу Канту дійти висновку, що зорі навколо нас утворюють єдину систему у вигляді плаского диска. А у 1784–1785 Вільям Гершель навіть зміг за підрахунками кількості зір на різних ділянках неба встановити розмір цього диска і з’ясувати, що Сонячна система розташована неподалік від його центру. Як ми знаємо зараз, і з першим, і з другим він помилився, але сама концепція «зоряного острова» виявилася правильною і закріпилася у свідомості людей.
Туманності та проблема відстаней у космосі
Проте у космосі вистачало об’єктів незрозумілої природи. І найбільш незрозумілими були світлові плями з не завжди чіткими межами, які отримали назву туманностей. Особливо серед них виділялася та, що перебувала в сузір’ї Андромеди. Ще Галлей та Кант припускали, що вона може бути схожою на Чумацький Шлях.
Але, на відміну від останнього, у ній довго не вдавалося виділити окремі зорі. Це породило питання про те, чи всі туманності однакові за своєю природою, де вони розташовані відносно Чумацького Шляху: всередині нього чи є окремими системами.
У 1864 році науковці дослідили спектри туманностей і з’ясували, що існує мінімум два їхніх типи: ті, спектр яких геть відрізняється від зоряного, і ті, які схожі на світила. До других належала і Туманність Андромеди.
У 1885 році в Туманності Андромеди спалахнула наднова, яка мала б підтвердити позагалактичну природу цього об’єкта, але астрономи неправильно визначили його тип. Внаслідок цього відстань до неї оцінили лише у 17 тис. св. років, а значить, вона перебувала у межах Чумацького Шляху.
Взагалі проблема визначення відстаней у космосі залишалася однією з найбільших перешкод у розвитку уявлень про наше місце у ньому. Якщо ти спостерігаєш тільки купу вогників і темряву між ними, як дізнатися, які з них є близькими й маленькими, а які — далекими та великими?
Вчені вже знали, що допомогти може точне вимірювання власного руху зір. Того самого, за допомогою якого Галлей свого часу «розбив» «сферу нерухомих зір». Проте цей метод добре підходив для близьких до Сонця світил, які зміщувалися на відчутно великі величини. А ось для чогось дуже віддаленого він давав занадто непевні результати.
Саме тому оцінити, де розташовані туманності зі спіральною структурою, подібні до тієї, що є в сузір’ї Андромеди, було вкрай важко, попри те, що вчені вже знали, що вони складаються із зір. Справа була за надійним методом визначення відстаней, і невдовзі він з’явився.
Цефеїди та Велика суперечка
Ключем до вимірювання великих відстаней у космосі стали цефеїди. Ще у другій половині XVIІІ століття астрономи з’ясували, що деякі зорі є змінними. У 1784 році Джон Гудрайк та Едуард Піготт відкрили змінність зорі Дельта Цефея.
Згодом стало зрозуміло, що змінні бувають кількох різних типів. Зорі, характер зміни яскравості яких був схожий на Дельту Цефея, почали називати цефеїдами. У 1908 році американська астрономка Генрієтта Лівітт, яка усе життя займалася змінними й відкрила просто неймовірну їхню кількість, помітила у цефеїдах закономірність. Загалом усі вони були великими старими зорями, що пульсують і добре видимі на величезних відстанях. Проте їхня світимість все ж відрізнялася. І чим більшою вона була, тим більшим був і період пульсації.
Тобто, як невдовзі встановив молодий данський астроном Ейнар Герцшпунг, знаючи період цефеїди, можна встановити її світимість, а значить, і відстань до неї. У 1915–1916 роках цей метод використав для визначення відстаней до цефеїд американський астроном Гарлоу Шеплі.
Ситуація з тим, який же вигляд має наш Всесвіт, ставала все заплутанішою, і зрештою, у 1920 році, було організоване обговорення проблеми, яке дістало назву Великої суперечки. Учасниками її стали Шеплі та інший американський вчений — Гебер Кертіс.
Цікаво, що у цій дискусії сам Шеплі відстоював думку, що туманності зі спіральною структурою перебувають всередині Чумацького Шляху, сам він має велетенські розміри — близько 300 тис. світлових років у діаметрі, а Сонячна система розташована далеко від її центру.
Кертіс же наполягав, що Туманність Андромеди — окрема галактика, схожа на Чумацький Шлях, але наша власна зоряна система була у нього значно меншою, ніж вона є насправді, й Сонце перебувало поблизу від центру. Вчені сперечалися буквально про все на світі: про надійність цефеїд як способу оцінки відстані, про природу нових та наднових зір, про пил та газ всередині галактик.
Зрештою, обидва погодилися з деякими аргументами опонента, але загалом кожен вважав переможцем себе. Здавалося, що проблема того, який же насправді вигляд має Всесвіт, знову далека від розв’язання, бо кожен із двох вчених створив власну, відносно несуперечливу його модель.
Едвін Габбл
Але водночас над проблемою працював Едвін Габбл, про якого до того в науковому світі мало хто чув. У його розпорядженні був найпотужніший на той момент телескоп із діаметром дзеркала 254 см. І саме завдяки йому він виявив у Туманності Андромеди, про яку всі вже втомилися сперечатися, цефеїду.
Краса його відкриття полягала в тому, що він, по суті, нічого нового до методу, який до того використовував Шеплі, не додав. Але використав його для того, аби спростувати твердження останнього.
З вимірювань виходило, що відстань до Туманності Андромеди становила 275 кпк, а значить її правильно називати Галактикою Андромеди, бо це окрема від Чумацького Шляху зоряна система. Щоправда, насправді на той момент цей факт не був таким уже сенсаційним. У 1922-му Ернст Епік припустив, що її сплюснута форма викликана обертанням, і підрахував, що відстань до неї становить близько 450 кпк. А у 1923-му Кнуд Лундмарк за блиском нових зір встановив, що відстань до цієї зоряної системи становить 1 мпк.
Проте саме вимірювання Габбла стало фінальною точкою у суперечці. Шеплі помилявся щодо місця інших галактик у загальній картині Всесвіту. Хоча він же виявився ближчим до істини, якщо говорити про розміри Чумацького Шляху і положення всередині нього Сонячної системи. Так часто буває, коли вчені говорять про загальну картину світу: вони можуть помилятися в чомусь одному, але виявитися правими в іншому.
До речі, сам Габбл помилився з оцінкою відстані до Галактики Андромеди, занизивши її майже втричі. Бо виявилося, що існує два різних види цефеїд, і кожен із них має свою залежність періоду від світимості. Проте він виявився правим у головному: Всесвіт дійсно значно більший, ніж наша Галактика.
Сучасне бачення Всесвіту
Спосіб, запропонований Габблом, дозволив оцінити відстані й до інших галактик. Поступово науковці почали розуміти структуру Всесвіту за межами Чумацького Шляху. І, як і у випадку з зорями за два століття до того, виявилося, що там не панує суцільний безлад.
Галактики об’єднуються у скупчення, ті — у надскупчення, а останні — у ще масштабніші структури — стіни та листи. На глобальному рівні структура нагадує павутину чи бджолині стільники.
Вдалося також визначити, звідки все це взялося. Свого часу Габбл та його бельгійський колега Жорж Леметр встановили, що галактики віддаляються одна від одної тим швидше, чим далі одна від одної вони розташовані. Це добре видно завдяки тому, що ефект Доплера зміщує лінії у їхніх спектрах у червоний бік.
Це явище отримало назву червоного зсуву, а константа, яка лежить в основі математичного закону, що його описує, — сталої Габла. Саме з цієї закономірності народилася теорія Великого вибуху. Останній відбувся приблизно 13,7 млрд років тому, породив простір та час, потім матерія й енергія розділилися. Перша утворила хмари газу, з яких за кілька сотень мільйонів років утворилися перші галактики.
Здавалося б, вперше за кілька століть у вчених склалася послідовна картина Всесвіту, в якій вже все зрозуміло і немає місця суперечкам. Але це враження хибне, бо насправді питань, як і раніше, чимало, тільки вони стосуються не стільки того, що ми бачимо, скільки того, чого не бачимо.
Наприклад, ще на початку XX століття вчені помітили, що рух зір у Галактиці відрізняється від того, який можна розрахувати, виходячи з гравітаційного впливу тільки тих об’єктів, які ми бачимо. Схоже, що в ній причаїлася якась прихована маса. У середині 1960-х років це припущення виросло у сучасну концепцію темної матерії.
Що це таке — ніхто не бачив, але стверджується, що її у Всесвіті набагато більше, ніж зір та туманностей. І суперечки між тими, хто стверджує, що її насправді немає, і прихильниками одразу кількох версій про те, чим вона насправді є, мають розмах анітрохи не менший, ніж дискусія між Шеплі та Кертісом.
А наприкінці 1990-х для того, аби пояснити прискорення розбігання галактик, довелося припустити існування темної енергії. Вона має бути ще розповсюдженішою, ніж темна матерія, але при цьому ще менш зрозумілою і пізнаваною.
Запуск у 2021 році космічного телескопа James Webb призвів до нових суперечок про теперішнє і минуле Всесвіту. Бо виявилося, що ранні галактики та чорні діри у них виглядають значно зрілішими, ніж це мало б бути відповідно до чинних уявлень. І тепер незрозуміло, чи то сценарій Великого вибуху хибний, чи то існують якісь значно менш радикальні способи розв’язати цю суперечність.
Хай там як, а доповідь, прочитана Едвіном Габблом 1 січня 1925 року, стала одним із найважливіших кроків, зроблених людством у розумінні Всесвіту. Але схоже, що він не був останнім.
