Световые секунды, годы и столетия: как измеряют огромные расстояния

Свет – самый быстрый известный нам объект. Его скорость настолько велика, что большие расстояния мы измеряем, выражая их через время, за которое свет их преодолевает. За один год свет проходит порядка девяти с половиной триллионов километров, или, другими словами, один световой год. Для сравнения: луна, до которой астронавты миссии «Аполлон» летели четыре дня, всего в одной световой секунде от нас. До ближайшей к солнцу звезды – Проксимы Центавра – четыре целых двадцать четыре сотых световых лет. Наша галактика Млечный Путь составляет в поперечнике сто тысяч световых лет. До ближайшей к нам галактики – Андромеды – два с половиной миллиона световых лет. Космос невообразимо огромен.

Но постойте, откуда мы вообще знаем расстояния до звёзд и галактик? Глядя на небо, мы видим плоскую двухмерную картинку. Если указать пальцем на одну из звёзд, у вас не получится определить, насколько она далеко. Так как же это получилось у астрофизиков?

Для близко расположенных объектов мы используем метод под названием тригонометрический параллакс. Смысл довольно прост. Давайте проведем эксперимент. Вытяните вперед руку с оттопыренным большим пальцем и закройте левый глаз. А теперь откройте левый и закройте правый. Кажется, будто палец сместился, в то время как объекты на фоне остались на месте. Со звёздами то же самое. Но расстояние до них гораздо больше, чем длина вашей руки. И Земля не так уж велика. Даже расположенные на экваторе друг напротив друга телескопы не смогли бы определить смещение позиции звезды. Поэтому мы ведём наблюдения в течение шести месяцев, так как за это время Земля проходит половину своей орбиты вокруг Солнца. Измерение положений звёзд зимой и летом, то же самое, что и наблюдение объекта то левым, то правым глазом. Ближние звёзды выглядят сместившимися на фоне более далеких звезд и галактик. Но этот способ подходит только для расстояний не более нескольких тысяч световых лет. Объекты за пределами нашей галактики так далеки и параллакс так мал, что даже наша самая чувствительная техника не в состоянии его зафиксировать.
В таком случае мы полагаемся на другой метод, используя ориентиры под названием «стандартные свечи». Стандартные свечи – это объекты, чью постоянную яркость, или светимость, мы знаем хорошо. Например, если вы знаете светимость лампочки и попросите своего друга взять её и отойти от вас, количество получаемого вами света будет уменьшаться пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, сравнивая количество получаемого света с постоянной яркостью лампочки, можно определить расстояние до вашего друга. В астрономии роль лампочки играют звезды особого типа, называемые цефеидами. Они внутренне нестабильны, и похожи на постоянно надувающийся и сдувающийся шарик. И так как пульсации изменяют их яркость, мы можем рассчитать их светимость посредством измерения этого цикла. Причем, чем ярче звезда, тем длиннее цикл. Сравнивая наблюдаемый свет этих звёзд с их светимостью, полученной посредством упомянутых измерений, мы можем определить расстояние до них.

Это, к сожалению, еще не конец истории. Максимальное расстояние, на котором мы еще можем различать отдельные звезды, составляет около сорока миллионов световых лет. После этого они становятся слишком размытыми. Но, к счастью, у нас есть еще один тип стандартной свечи – знаменитые сверхновые типа ‘Один А’ (англ. Ia). Сверхновые — гигантские звёздные вспышки — это один из вариантов смерти звёзд. Эти вспышки настолько ярки, что затмевают галактику, в которой они происходят. Так что даже если мы не можем различить отдельные звёзды в некой галактике, мы всё равно способны увидеть взрыв сверхновой. Именно сверхновые типа Один А подходят на роль стандартных свечей, потому что более яркие сверхновые затухают медленнее, чем менее яркие.

Благодаря взаимосвязи между яркостью и скоростью угасания, мы можем использовать эти сверхновые для определения дистанций вплоть до нескольких миллиардов световых лет.

А почему вообще так важно разглядывать удалённые объекты? Вспомните, насколько быстро движется свет. К примеру, излучаемый солнцем свет доходит до земли за восемь минут, что означает, что мы видим солнце таким, каким оно было восемь минут назад. При взгляде на Большую Медведицу вы видите ее такой, какой она была восемьдесят лет назад. А те трудноразличимые галактики находятся в миллионах световых лет от нас. Их свету потребовались миллионы лет, чтобы достичь нас. Таким образом, вся вселенная в некотором смысле сама по себе является машиной времени. Чем дальше мы смотрим, тем более молодую вселенную мы видим.

Астрофизики пытаются прочитать историю вселенной и понять, как и откуда мы произошли. Вселенная постоянно посылает нам информацию в форме света. От нас требуется лишь расшифровать её.