О чем рассказывает свет

Белопольский понимал, что такой опыт осуществить очень трудно. Все дело в том, что скорость света очень велика, а длины волн очень малы. Если светящееся тело, скажем, электрическая лампочка, будет двигаться со скоростью 30 километров в секунду, то и тогда изменение волны будет только около одного ангстрема, т. е. меньше одной стомиллионной доли сантиметра. Да и как заставить лампочку двигаться с такими скоростями?

Однако уже в 1894 году Белопольский пришел к выводу, что опыт поставить можно, и стал к нему готовиться.

Астрофизические открытия Белопольского с помощью лучей света

Тем временем Белопольский совершенствовал спектрограф и с его помощью измерял спектры небесных тел. В них он действительно наблюдал сдвиги спектральных линий. Считая причиной этих сдвигов движение небесных тел, Белопольский разрешил много интересных вопросов.

Рис. 23. Средняя полоска — спектр звезды Процион, вверху и внизу — линии лабораторного спектра химического элемента титана, приведенные для сравнения. На рисунке видно, что линии титана в звездном спектре сдвинуты влево в сторону коротких волн

По фотографиям спектров Белопольский вычислил скорости движения многих звезд. Оказалось, что одни из них удаляются от нас, другие же приближаются к нам. Скорость их движений различна, обычно она составляет несколько десятков километров в секунду (рис. 23).

Скорости движения целых звездных совокупностей — галактик — значительно выше: у некоторых галактик она достигает более 100 тысяч километров в секунду.

Теперь перед астрономами раскрылась грандиозная картина движения звезд и галактик.

Что дало это знание движения звезд? Оно показало, например, что не все звезды и галактики устойчивы. В природе не встречаются галактики, в которых число звезд превышает тысячу миллиардов, они распадаются. Во Вселенной, так же как и в мире атомов, образуются целостные системы, выяснение причин устойчивости которых несомненно приведет к раскрытию важных общих законов природы.

Рис. 24. Кольца Сатурна

Как известно, у планеты Сатурн имеются три кольца, как бы опоясывающих планету, но не соприкасающихся с ней (рис. 24). Астрономы обсуждали вопрос о строении колец. Еще Софья Ковалевская, первая русская женщина-ученый, математическими расчетами доказала, что кольца Сатурна не представляют собой сплошной твердой массы. Но телескоп не помогал решить вопрос— так это или не так. Вращение самого Сатурна было хорошо видно в телескоп: ца Сатурне есть пятна и можно следить за их перемещением. 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, твердые они или нет: ведь твердые 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 тонкого, 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 навел 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. С помощью спектрографа Белопольский изучил сдвиги спектральных линий, полученных от внешней части и от внутренней части (ближней к центру) одного из колец Сатурна. По этим сдвигам он вычислил скорости обращения различных частей одного и того же кольца. Оказалось, что внутренняя часть кольца обращается быстрее внешней, а именно: внутренняя часть обращается вокруг планеты со скоростью в 20 километров в секунду, а внешняя — со скоростью 16 километров в секунду. Периоды обращения этих частей связаны с расстоянием их от центра планеты по закону Кеплера. Стало быть, движения различных частей колец независимы друг от друга. Стало ясно, что кольца Сатурна вращаются не как одно целое и состоят из множества отдельных твердых 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. Он заметил, что раздвоенные линии периодически то сближаются, то снова расходятся. Белопольский понял, что он наблюдает не обычную звезду, а двойную. Двойные звезды — это пары звезд: они находятся сравнительно близко друг к другу и вращаются вокруг общего центра тяжести. Много двойных звезд наблюдалось до этого в телескоп. Но двойные звезды, открытые Белопольским, находятся от нас так далеко, что даже в самые сильные телескопы кажутся одной звездой. Только спектрограф смог разделить идущие от них лучи. 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 сотен двойных звезд. Нашей Симеизской обсерватории в Крыму принадлежит честь открытия наибольшего количества двойных звезд сравнительно с другими обсерваториями мира.

Принцип Допплера — Белопольского

После тщательной подготовки Белопольский осуществил в 1900 году свой замысел. Он поставил сложный опыт и в лабораторных условиях доказал, что при движении источника света длина световых воли действительно изменяется по определенному закону. А это значит, что смещение линий, наблюдаемое в звездных спектрах, действительно происходит благодаря движению звезд.

Это важное научное положение следовало бы называть принципом Допплера — Белопольского, чтобы подчеркнуть огромное значение опытного доказательства этого принципа Белопольским.

Благодаря доказательству этого принципа подведен прочный фундамент под все исследования по спектральному определению скоростей небесных тел.

Так изучение свойств света раскрыло еще одну тайну природы и позволило ученым вычислить скорость незримого движения звезд, — движения их по лучу зрения, а тем самым и действительное движение звезд относительно наблюдателя.

Температура звездных оболочек

Ученые давно уже поняли, что звезды представляют собой огромные котлы, в которых происходят сложные физические процессы. В результате этих процессов по всей Вселенной распространяется мощное излучение в течение многих и многих миллиардов лет. Перед пытливым человеком возникли вопросы: а можно ли возбудить такие же процессы в земных лабораториях? Какие для этого требуются условия? Какова, в частности, звездная температура, при которой протекают эти процессы? Не ответит ли на эти вопросы все тот же свет, испускаемый звездой? И что еще нужно знать о свойствах света, чтобы расшифровать его ответ?

Даже простым глазом можно заметить, как нагревается железо: сначала оно краснеет, затем желтеет, потом становится белым, и, наконец, голубоватым. По цвету двух стержней, вынутых из горна, опытный кузнец определяет, какой из них раскален сильнее.

Если мы будем рассматривать спектры этих стержней через спектроскоп, то во всех случаях мы увидим сплошную радужную полосу — сплошной спектр. Но между спектрами будет и отличие, отличие в яркости различных цветных лучей. Если в одном случае ярче всего будут лучи красные, то в другом — желтые, в третьем — зеленые, в четвертом — голубые.

Чем ярче световые лучи, тем больше энергии они несут. Энергия лучей измеряется особым прибором — болометром. Важнейшей частью его является узкая полоска металла, покрытая сажей, которая поглощает всю энергию луча и превращает ее в теплоту. Теплоту эту можно измерить по тому, как меняется электропроводность металла. Таким образом, передвигая зачерненную полоску металла вдоль спектральной полосы, можно определить, какие лучи несут большую энергию, иными словами, можно, как говорят физики, найти закон распределения энергии по спектру.