Люди с благоговением смотрят в ночное небо с тех самых пор, как обрели разум, и нынешние астрономы ничем в этом плане не отличаются. Они наследники этой традиции, которой десятки и сотни тысяч лет. Удивительно то, что те методы, с помощью которых они изучают космос сегодня, принципиально не изменились за несколько последних столетий. Естественно, они совершенствуются, однако, по большому счёту, все они основаны на изучении света. Другими словами, мы смотрим в космос — воспринимаем его визуально, как наши далёкие предки. Астрономы смотрят на звезды, на дальние галактики, даже в пустое пространство. Они смотрят даже на тёмную материю, которую невозможно увидеть по определению! И этого, как оказывается, достаточно, чтобы раз за разом потрясать воображение и вызывать восхищение тех, кто любит астрономию и увлекается космосом.
Прямое наблюдение
Существует три основных способа изучения света и наблюдения за ним. Самый очевидный — это просто делать изображения, будь то в видимом свете или на других длинах волн, например, инфракрасных. По своей сути — это старая добрая фотография. Свет попадает внутрь камеры, а она выдаёт ту или иную картинку. С помощью этого метода изучаются такие объекты, как Сатурн, красное пятно Юпитера и даже отдаленные планеты.
Но это не просто коллекционирование красивых картинок, как может показаться. Они дополняют друг друга, накапливают информацию, и это можно использовать для серьёзнейших научных исследований. Этот метод позволил не только увидеть сердечко на Плутоне, но и исключить это небесное тело из категории планет. Потому что учёные увидели другие такие же объекты в том районе космоса, где он находится. Но возможности этого метода, как понятно, ограничены, поэтому пришлось разработать другие, более эффективные.
Поляризация
Это исследование колебаний световых волн при их движении в космическом пространстве. Как правило, свет звезд и большинства других объектов изначально поляризован случайным образом и осциллирует во всех направлениях. Однако некоторые объекты и явления могут изменить его — например, очень быстрое вращение звезды, некоторые виды газовых облаков, мощное магнитное поле. С помощью непосредственного наблюдения увидеть всё это либо очень трудно, либо вообще невозможно.
И тут на помощь приходит поляризация. Учёные прогоняют волны сквозь некое подобие линз, которые оставляют лишь необходимую часть спектра, и убирают все остальные. С помощью этого метода астрономы измерили магнитные поля планет, Солнца, туманностей, межзвездной пыли, пульсаров, галактик…
И это не пустое занятие, к которому прибегают, когда нечего больше делать. Магнитные поля генерируются движущимися заряженными частицами, и эти измерения показывают, как во Вселенной распределены материя и энергия. Поляризация позволяет создавать очень живописные картинки, например, изображение магнитного поля Млечного Пути, где цвета показывают его силу, а линии — направления.
Излучение чёрного тела
Однако в научных статьях, публикующихся сегодня в астрономических журналах, доминируют не прямые наблюдения, и не поляризационные измерения. Там господствует цвет. Очень много цветов.
Несколько направлений астрономии изучают именно их, пытаясь увидеть в телескопы лишь нужный себе оттенок и отбрасывая за ненадобностью всю остальную часть картинки. Один из методов основан на так называемом «излучении черного тела». Чем объект горячее, тем хаотичнее движутся его атомы, и тем больше света они излучают, особенно при более высоких энергиях. Измерения на основании указанного метода показывают температуру того или иного объекта.
Излучение звезд достигает пика в видимом свете, будь он красный (для самых холодных звезд) или синий (для самых горячих). Но аккреционные диски черных дыр горячее любых звезд – и мы узнали об этом благодаря тому, что они испускают большое количество рентгеновского излучения. С другой стороны, вакуум космоса гораздо холоднее. Об этом рассказал его спектр черного тела, который называется реликтовым излучением.
Спектроскопия и эффект Доплера
Второй способ изучения цвета — это спектроскопия. Атомы и молекулы гораздо успешнее поглощают и испускают свет в одних частях спектра, и хуже в других. В результате многолетних наблюдений ученые установили, как конкретно ведут себя те или иные частицы.
Они даже научились рисовать световые диаграммы, которые представляют что-то вроде отпечатков пальцев. Поэтому, получив данные о новой звезде, пылевом облаке или планете, они просто сопоставляют их с имеющимися, и определяют, из чего это всё состоит.
Если объект находится очень далеко, то спектр света немного искажается. Он или краснее, чем должен быть, или голубее. Это так называемый «эффект Доплера» — ещё один важнейший инструмент наблюдательной астрономии. Свет меняет частоту и, как следствие, длину волны во время движения источника излучения или наблюдателя, и измерение «искажений» может показать, с какой скоростью этот источник удаляется от наблюдателя или приближается к нему. Доплеровские сдвиги позволили Эдвину Хабблу сделать вывод о расширении Вселенной, они же указали на существование тёмной материи, помогли обнаружить сотни и тысячи экзопланет, сделать великое множество других открытий.
То, что астрономы смогли добиться таких успехов, наблюдая за светом и работая с ним, поистине потрясающе. И объясняет, почему они приходят в такое волнение, когда открывают действительно новые способы исследования Вселенной, например, гравитационные волны или нейтрино. В течение всей истории они работали только со светом. Трудно даже представить, чего они могут добиться с помощью новых, возможно, гораздо более совершенных инструментов.
