Рис. 20. Звездные спектры. Вверху спектр звезды Бетельгейзе, внизу спектр звезды Дельта из созвездия Близнецов
Может быть, пары элементов носятся в межзвездном пространстве? Но тогда спектры поглощения Солнца и других звезд были бы одинаковыми. На самом деле этого нет: спектры различных звезд отличаются друг от друга (рис. 20).
Остается только одно предположение: линии поглощения в солнечном спектре появляются как результат действия не околоземной или межзвездной среды, а среды, связанной с самим Солнцем. Раскрылась следующая картина: белый солнечный свет рождается внутри Солнца; по пути к нам он проходит сквозь внешнюю оболочку Солнца, которая и поглощает часть излучения.
Стало ясно, что фраунгоферовы линии в солнечном спектре раскрыли нам не что иное, как состав элементов, из которых состоит солнечная оболочка.
Свет рассказывает о составе звезд
Физики, химики и астрономы принялись за изучение спектров небесных тел. Для каждой звезды была составлена спектральная «справочная книга». Так, в 70-х и 80-х годах прошлого века возникла новая паука — наука о химическом составе звезд.
В это время Московской университетской обсерваторией руководил выдающийся русский астроном Ф. А. Бредихин. Под его руководством в обсерватории фотографировались и изучались спектры Солнца, звезд, комет и туманностей. По свидетельству другого знаменитого русского астронома, А. А. Белопольского (1854—1934), Бредихин «делает труднейшие по тому времени спектроскопические наблюдения, и его измерения спектральных линий комет и газообразных туманностей по точности превосходили все тогда известные измерения». Эти измерения явились большим вкладом в науку о составе небесных тел. Уже в 1885 году в журнале Русского физико-химического общества был напечатан «Свод сведений» о химическом составе Солнца и других звезд. Химический состав звезд был прочитан по спектрам поглощения.
Астрономы приспособили спектрограф для своих целей. Они приладили его к телескопу, который заменил в нем трубку с линзами (трубку Б на рис. 15). Вместо настольного получился звездный спектрограф (с телескопом), размещаемый в специальной вращающейся башне.
С помощью звездного спектрографа астроном фотографирует спектр нужной ему звезды. Но работа астронома на этом не кончается; фотография спектра — это лишь заготовка материала для исследования. Потом начинается кропотливая работа по расшифровке звездных фотоспектров.
Первый спектрограф в Пулковской обсерватории построил в 1892 году А. А. Белопольский, ученик Бредихина. Белопольский проделал громадную по объему и изумительную по тонкости работу по спектральному анализу звезд и других небесных тел. Его спектрографические фотоснимки до сих пор дают замечательный материал для исследования звездных миров.
Изучение звездных спектров ведется и сейчас.
В атмосфере Солнца уже найдено свыше 60 элементов. Большую долю (по объему) составляет водород — свыше 80 процентов, затем гелий — свыше 18 процентов. На остальные элементы приходятся очень малые доли. Возможно, что на Солнце есть все элементы менделеевской таблицы, но наши инструменты еще слабы и не отмечают их спектров.
Так же тщательно астрономы определяют химический состав и других звезд.
И сколько ни изучают астрономы небо с помощью спектрографов, они нигде больше не находят ни одного нового элемента, неизвестного на Земле. Весь звездный мир, куда только ни проникал человек своим умственным взором, состоит из тех же элементов, какие мы встречаем на Земле.
По-видимому, во всем обозримом нами мире нет условий для образования других элементов.
Куда движутся звезды
Чем больше ученые 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 века 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 звезды 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 ее измерить (рис. 21). Это была, так сказать, «незримая» для нас скорость. А без этой составляющей нельзя было узнать действительное направление движения и скорость звезды.
Белопольский задумался: не расскажут ли нам о движении звезд по лучу зрения звездные спектры? Эта идея была не случайной. Она была основана на сравнении световых явлений со звуковыми.
Представьте себе, что вы стоите у железнодорожного полотна и мимо вас со свистом проносится поезд. Пока поезд приближается, свист так резок, что вам хочется заткнуть уши. Но вот поезд поравнялся с вами и 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, т. е. 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 него волны сгущаются, как бы набегая друг на друга (рис. 22). Сгущения и разрежения воздуха становятся чаще. Значит, частота воздушных волн изменяется, увеличивается, а длина волны укорачивается.
Рис. 21. Перемещение звезды вдоль луча зрения глазом не отмечается
Рис. 22. Звуковые волны сгущаются впереди движущегося источника и разрежаются позади него
Это и воспринимается ухом как повышение тона свистка: чем больше частота звуковой волны, тем выше звук. Позади уходящего поезда картина обратная: 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 зависят от того, находится ли источник звука в покое или же он движется в какую-нибудь стороьу.
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, хотя проверить это в то время еще не могли. Ход его мысли был таков: 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 (т. е. 30 километрам в секунду), то все световые волны, испускаемые ею, должны удлиняться на одну десятитысячную долю первоначальной величины. Возьмем пример. Предположим, что в составе звезды находится литий. Мы уже знаем, что литий испускает излучения с длинами волн 6708Å (красная линия в спектре) и 6108Å (оранжевая линия). Если эта звезда удаляется от Земли, то длины волн света, посылаемого литием, будут увеличиваться: вместо длины волн 6708Å мы измерим длину волн 6708,67Å, а вместо волны 6108Å придет волна 6108,61Å. Ясно, что при другой скорости удаления звезды длины волн получили бы другое увеличение. Если звезда приближается, то длины волн должны, наоборот, укорачиваться.
При удалении звезды все линии звездного спектра сдвинутся в сторону длинных волн, при приближении — в сторону коротких. Или иначе: звезда, движущаяся на нас, немного «голубеет», а удаляющаяся от нас — «краснеет».
Так это на самом деле и оказалось: все линии звездных спектров сдвигаются у одной звезды в одну сторону, у другой — в другую, и как раз по закону Допплера. Если бы сдвиги испытывала только одна какая-либо линия или группа линий, принадлежащих, скажем, литию, то надо было бы искать индивидуальных причин этих сдвигов. Но поскольку сдвиги испытывали все линии данной звезды, причем по одному и тому же закону, постольку становилось ясным, что причина сдвигов была общая, относящаяся ко всей звезде. Так что предположение о том, что причиной сдвигов является движение источника света — звезды, — аналогично тому, как это имеет место в случае звука, — вполне правдоподобно. Но Белопольский все же решил опытным путем доказать, что принцип Допплера применим и к свету. Как это сделать? Надо было в земных условиях доказать, что закономерные сдвиги линий в спектрах происходят именно вследствие движения источника света. До тех пор пока такой опыт не будет проделан в лаборатории, будут появляться скептики. Они будут говорить: мы знаем, отчего изменяется длина волны у звука, но отчего она изменяется у света — не знаем!