О ЧЁМ ГОВОРИТ ЛУЧ СВЕТА

КУДА ДВИЖУТСЯ ЗВЁЗДЫ?

Чем больше учёные изучали свойства света, тем больше свет рассказывал им о тайнах природы. Много труда на изу­чение свойств света положил астроном А. А. Белопольский.

Почти до конца прошлого столетия астрономы не могли решить вопрос: как узнать, куда движется та или иная

Звезда, приближается к нам или удаляется от нас и с какой скоростью? Астрономы давно научились вычислять, с какой скоростью звёзды движутся по направле­ниям, поперечным к лучу нашего зрения.

Но это не давало полной картины их движения: скорость движения по лучу зре­ния была неизвестна, и астрономы не зна­ли, как её измерить (рис. 14). Это была, так сказать, «незримая» для нас скорость.

А знать её было очень важно.

Белопольский задумался: не расскажут ли нам о движении звёзд по лучу зрения звёздные спектры. Эта идея была не слу­чайна. Она основана на сравнении све­товых явлений со звуковыми.

Представьте себе, что вы стоите у железнодорожного полотна и мимо вас со свистом проносится поезд. Свист так ре­зок, что вам хочется заткнуть уши. Но вот поезд удаляется. Резкий свист сразу сменяется более низким, спокойным гудком. Почему тон сви­стка выше, когда поезд приближается, и почему он ниже

При удалении поезда? Фи­зики давно изучили это яв­ление. Если источник звука, например свисток, находит­ся в покое, вокруг него рав­номерно распространяются звуковые волны, то-есть че­редующиеся друг с другом сгущения и разрежения воз­духа. Где бы ни стоял че­ловек, к его уху волны бу­дут приходить с одинаковой частотой. Но если свистя­щий паровоз движется, то картина меняется. Впереди его волны сгущаются, как бы набегая друг на друга (рис. 15). Сгущения и раз­режения воздуха становятся чаще. Значит, частота воздушных волн изменяется, увеличи­вается, а длина волны укорачивается. Это и воспринимается ухом
как повышение тона свистка (чем больше частота звуковой волны, тем выше звук). Позади уходящего поезда картина обратная: звуковые волны отстают друг от друга, и расстояние между отдельными сгущениями и разрежениями увеличивается. Зна­чит, увеличивается длина волны, уменьшается частота. Это воспринимается ухом как понижение тона.

Стало быть, высота тона, или длина волны, зависит от того, находится ли источник звука в покое или же он дви­жется в какую-нибудь сторону. Эту зависимость установил пражский математик Допплер в 1842 году. Положение, фор­мулирующее эту зависимость, называется принципом Допплера. Допплер полагал, что этот принцип приложим и к свету. Раз свет, как и звук, распространяется волнами, то длина свето­вых волн, приходящих на Землю от движущейся звезды, должна меняться. Можно вычислить, что если звезда уда­ляется от нас со скоростью, равной одной десятитысячной доле скорости света (то-есть 30 километрам в секунду), то все световые волны, испускаемые ею, должны удлиняться на одну десятитысячную долю первоначальной величины.

Пусть, например, в составе звезды есть литий. Мы уже знаем, что литий испускает излучения с длинами волн 6708 А (красная линия в спектре) и 6108 А (оранжевая линия). Если 8та звезда удаляется от Земли, то волны, посылаемые литием, будут меняться: волна 6708 А станет волной 6708,67 А, а вместо волны 6108 А придёт волна 6108,61 А. Ясно, что при другой скорости удаления звезды длины волн получили бы другое увеличение. Если звезда приближается, то длины волн должны, наоборот, укорачиваться.

При удалении звёзды все линии звёздного спектра сдви­нутся в сторону длинных волн, при приближении — в сто­рону коротких.

Белопольский решил доказать, что рассуждения об изме­нении длин волн в спектрах движущихся звёзд справедливы.

Как это сделать? Прежде всего надо было повысить чув­ствительность спектрографа. Но этого мало. Сдвиги могут обнаружиться, но нужно ещё доказать, в чём их причина? Об этом могли быть споры. Надо было в земных условиях до­казать, что закономерные сдвиги линий в спектрах про­исходят именно вследствие движения источника света.

Белопольский понимал, что такой опыт осуществить очень трудно. Всё дело в том, что скорость света очень велика, а длины волн очень малы. Однако уже в 1894 году Белопольский заявил, что опыт поставить можно, и стал к нему готовиться.

Тем временем Белопольский совершенствовал спектрограф и с его помощью измерял спектры небесных тел. Сдвиги спектральных линий действительно наблюдались. Считая при­чиной этих сдвигов движение небесных тел, Белопольский разрешил много интересных вопросов астрофизики.

По фотографиям спектров он вычислил скорости движения многих звёзд. Оказалось, что одни из них удаляются от нас, другие же приближаются к нам. Скорость их движения раз­лична; обычно она составляет несколько десятков километров

В секунду (рис. 16). Теперь астрономы могли составить пол­ную картину движения звёзд.

Как известно, у планеты Сатурн имеются три кольца, как бы опоясывающих планету, но не соприкасающихся с ней (см. заставку на стр. 3). Астрономы обсуждали вопрос о строении колец. Ещё Софья Ковалевская, первая русская женщина-учёный, математическими расчётами доказала, что кольца Сатурна не представляют собой сплошной твёрдой массы. Но заключить об этом по наблюдениям в телескоп нельзя. Вращение самого Сатурна хорошо видно в телескоп: на Сатурне есть пятна, и можно следить за их перемеще­ниями. Но на кольцах нет никаких примет, нет ничего, за чем можно было бы следить. Если бы можно было устано­вить, вращаются ли кольца и как именно вращаются, тогда узнали бы, твёрдые они или нет: ведь твёрдые кольца должны вращаться как одно целое.

Белопольский решил эту задачу в 1895 году. Кольца в некоторые годы видны с Земли почти в «профиль», в виде светлого поперечника, пересекающего планету. Белопольский направил трубу спектрографа сначала на один конец этого поперечника и заметил, что спектральные линии сдвинуты

Вправо в сторону длинных волн. Затем он навёл трубу спек­трографа на другой конец поперечника. Теперь спектральные линии оказались сдвинутыми влево. Ясно, что в первом конце точки кольца Сатурна удаляются от нас, а во втором конце приближаются к нам. Так спектрограф показал, что кольца Сатурна вращаются. Дальнейшее исследование спектров пока­зало, что скорости внутренних частей любого кольца Сатурна больше скоростей внешних частей того же кольца. Это озна­чало, что кольца вращаются не как одно целое и состоят из множества отдельных твёрдых частиц. Софья Ковалевская была права.

Таким же способом Белопольский определил период вра­щения Юпитера.

Однажды Белопольский заметил, что в спектре одной звезды все линии раздвоены. Он заинтересовался этим явле­нием и следил за звездой несколько лет. Оказалось, что раз­двоенные линии периодически то сближаются, то снова расхо­дятся. Белопольский понял, что он наблюдает не обычную звезду, а двойную. Двойные звёзды — это пары звёзд; они находятся сравнительно близко друг к другу и вращаются вокруг общего центра тяжести. Много двойных звёзд наблю­далось до этого в телескоп. Но двойные звёзды, открытые Белопольским, находятся от нас так далеко, что даже в самые сильные телескопы кажутся одной звездой. Только спектро­граф смог разделить идущие от них лучи, и вот почему. Обе звезды вращаются вокруг общего центра тяжести, и в то время как одна из них удаляется от нас, другая прибли­жается к нам. В таком случае волны света, идущие от одной звезды, удлиняются, а волны, идущие от другой, укорачи­ваются, и спектрограф их разделяет.

С помощью спектрографа было открыто несколько сот двойных звёзд. Нашей Симеизской обсерватории в Крыму принадлежит честь открытия наибольшего количества двой­ных звёзд по сравнению с другими обсерваториями мира.