Представить истинные размеры космоса — задача невероятно сложная, но современная астрономия предлагает целый арсенал методов для их определения. Еще в 1920 году астроном Харлоу Шепли, выступая на знаменитой «Большой Дискуссии» с Хибером Кертисом, приглашал публику «прогуляться по Вселенной». Тогда он оценивал диаметр нашей галактики Млечный Путь в 300 000 световых лет, что втрое превышает современные данные, но для своего времени было прорывом. Его оппонент, Кертис, верно полагал, что спиральные туманности — это отдельные галактики, но ошибался в размерах Млечного Пути, считая его вдесятеро меньше.
Сегодня мы знаем, что наша галактика имеет диаметр от 100 000 до 150 000 световых лет, а наблюдаемая Вселенная простирается на ошеломляющие 93 миллиарда световых лет в поперечнике. Но как ученые пришли к этим цифрам, измеряя космические бездны с крошечной Земли?
Космическая лестница расстояний
Астрономы, подобно Кейтлин Кейси из Техасского университета, используют многоступенчатую систему, так называемую «шкалу космических расстояний». Каждая следующая ступень опирается на точность предыдущей, позволяя заглядывать все дальше.
Первый шаг: радиолокация в Солнечной системе. Для ближайших планет, таких как Венера или Марс, расстояние измеряется напрямую: мощные радиотелескопы, подобные обсерватории Аресибо, посылают сигнал и фиксируют время его возвращения. Этот метод невероятно точен, но за пределами нашей системы становится непрактичным.
Параллакс: стереозрение для звезд
Вторая ступень — метод параллакса. Его принцип знаком каждому: закройте один глаз, посмотрите на палец перед лицом, затем переключитесь на другой глаз — палец «сдвинется». Наш мозг использует эту разницу для оценки расстояния. Астрономы делают то же самое, используя орбиту Земли вокруг Солнца как гигантскую основу для стереоскопического зрения. Они измеряют положение близкой звезды в январе, а затем через полгода, в июле, и по углу смещения вычисляют расстояние. Однако этот метод работает лишь для звезд в пределах примерно 100 световых лет — капле в океане галактики.
Стандартные свечи: маяки Вселенной
Чтобы заглянуть дальше, астрономы используют «стандартные свечи» — объекты с известной, предсказуемой собственной светимостью. Сравнивая, насколько ярко такой объект выглядит для нас с тем, насколько ярким он должен быть, можно вычислить расстояние до него.
Звезды главной последовательности стали первыми такими свечами. Их цвет и яркость меняются с возрастом предсказуемым образом, что позволяет оценивать расстояния внутри нашей Галактики.
Но настоящую революцию совершило открытие цефеид Генриеттой Суон Ливитт в 1908 году. Она обнаружила, что период пульсации (изменения яркости) этих переменных звезд напрямую связан с их истинной светимостью. Измерив период, астрономы узнают, насколько звезда ярка на самом деле, а сравнив с видимым блеском — вычисляют расстояние. Именно цефеиды, найденные в других галактиках, окончательно доказали существование мира за пределами Млечного Пути.
Обратите внимание: 20 потрясающих снимков, демонстрирующих невероятную красоту нашей вселенной.
Для самых далеких галактик, удаленных на миллиарды световых лет, используются еще более мощные «свечи» — сверхновые типа Ia. Это взрывы белых карликов, чья пиковая яркость всегда примерно одинакова, что делает их идеальными маркерами для измерения колоссальных расстояний.
Красное смещение и расширяющаяся Вселенная
Самые грандиозные расстояния измеряются с помощью явления красного смещения, которое является космологическим следствием расширения Вселенной. Аналогия — звук сирены удаляющейся машины (эффект Доплера): чем быстрее она отдаляется, тем ниже кажется тон. Со светом происходит то же самое: чем дальше и быстрее от нас удаляется галактика, тем больше ее свет смещается в красную часть спектра.
Ученый NASA Картик Шет объясняет это на примере точек на надувающемся воздушном шаре: пространство само растягивается, «растягивая» и световые волны. Измерив степень красного смещения света от далекой галактики, можно определить, как быстро она удаляется, а следовательно, и расстояние до нее.
Самый старый свет, который мы можем уловить, — это реликтовое излучение, путешествующее к нам 13.8 миллиардов лет. Но за это время Вселенная расширилась, поэтому те древние галактики, чей свет мы видим сегодня, фактически находятся уже в 46.5 миллиардах световых лет от нас. Это и есть радиус наблюдаемой нами части Вселенной, а ее диаметр, соответственно, составляет около 93 миллиардов световых лет.
За горизонтом наблюдаемого
Важно понимать, что 93 миллиарда световых лет — это размер лишь наблюдаемой для нас Вселенной. Что лежит за ее пределами? Согласно некоторым теоретическим расчетам, например, исследованию Миграна Варданяна из Оксфорда, полная Вселенная может быть как минимум в 250 раз больше видимой нами части. Мы никогда не сможем увидеть эти области напрямую, но их существование следует из космологических моделей.
Каждое измерение в этой космической цепочке связано с другими, и даже небольшая погрешность на одном этапе может повлиять на итоговые цифры. Эта работа, начатая столетия назад, продолжается и сегодня, постоянно уточняя наше место в космосе.
«Астрономия научила нас смирению, — заключает Кейтлин Кейси. — Мы не в центре Солнечной системы, не в центре Галактики и уж точно не в центре Вселенной». Мы лишь собираем фотоны, проделавшие невообразимый путь через пространство и время, чтобы рассказать нам историю грандиозного мироздания, масштабы которого по-прежнему бросают вызов нашему воображению.
Больше интересных статей здесь: Космос.
Источник статьи: Как измеряют размеры Вселенной?.