Модель галактики Уильяма Гершеля («линза Гершеля»)

Как была определена точная форма нашей галактики и вычислен её размер

Одинаково ли число звезд в разных участках неба?

Спор о том, конечна или бесконечна Вселенная – похоже также не имеет конца. Взять к примеру знаменитый “парадокс  Ольберса“, который, вроде бы убедительно доказывает – бесконечная вселенная это миф. Но, по-крайней мере на первый взгляд, один из постулатов на которых базируется этот парадокс, представляется совершенно неверным.

Конечно речь идет о том, что  звезды распределены в космическом пространстве равномерно.

Поглядите в ночное небо и сразу увидите: наблюдаемая картина никак не подтверждает этого предположения. Хорошо различимая на небосклоне галактика Млечный путь широкой полосой пересекающая небо, буквально “набита” звездами – большими и маленькими, в то время как за пределами полосы Млечного пути, звезд как будто бы очевидно меньше.

Итак, по видимому, можно не сомневаться, что в направлении Млечного Пути располагается гораздо больше звезд, чем во всех других направлениях. Да и наиболее ярких видимых звезд там можно насчитать гораздо больше, чем в любой другой части небосвода. А все это явно противоречит предположению о равномерном распределении звезд в космическом пространстве.

На первый взгляд, в плоскости Млечного пути звезд действительно больше, чем в других областях небесной сферы

Уильям Гершель определяет форму галактики Млечный путь

Английский астроном Уильям Гершель (1738-1822 г.г.), занимавшийся изучением звездного неба, прекрасно знал, что в некоторых направлениях можно насчитать больше звезд, чем в других, но такие чисто количественные оценки его не устраивали.

В 1784 г. Уильям Гершель решил сосчитать звезды и точно установить, насколько различно их количество на разных участках неба
Разумеется, сосчитать все звезды на всем небе было практически невозможно, но Гершель решил, что достаточно будет ограничиться выборочным подсчетом.

Он выделил в различных частях небосвода 683 точно ограниченные области и в каждой из них сосчитал звезды, видимые в его телескоп. Обнаружилось, что число звезд неуклонно возрастает по мере приближения к Млечному Пути, достигая максимума в плоскости Млечного Пути, и оказывается минимальным, если смотреть под прямым углом к этой плоскости.

Как можно было это объяснить? Быть может, ближе к Млечному Пути звезды случайно располагаются более тесно? Но почему?

Казалось невозможным найти простое объяснение этому неуклонному сгущению звезд. Гершель решил, что гораздо логичнее следующая идея – звезды разделены одинаковыми расстояниями, но пространство, в котором они распределены, несферично, а потому оно симметрично далеко не во всех направлениях.

Уильям Гершель – в свое время раздвинул горизонты познания, открыв Уран и буквально удвоив границы Солнечной системы

Предположим, что звезды равномерно распределены в области, имеющей форму не сферы, а линзы или жернова, и что наше Солнце находится неподалеку от ее центра. Если мы посмотрим вдоль большого диаметра этой “линзы” (в плоскости линзы), то увидим некоторое число ярких звезд, расположенных вблизи, за ними — огромные скопления далеких, а потому слабых звезд, а за этими скоплениями — еще большие скопления еще более далеких и еще более слабых звезд и т. д.

В такой неизмеримой дали уже невозможно будет различать эти бесчисленные звезды по отдельности все они сольются в бледное молочное сияние и образуют Млечный Путь.

И наоборот, переводя взгляд в сторону, все дальше и дальше от большого диаметра этого жернова (глядя наверх или вниз “линзы”), мы будем смотреть сквозь все более разреженные скопления звезд. В этом случае нам будут видны лишь ближайшие яркие звезды, но уже не будет массы далеких звезд, образую щей молочное сияние.

Таким образом, согласно Гершелю, все видимые нам звезды Вселенной образуют конечную звездную систему, которая имеет определенную форму (приплюснутого шара, или линзы). И называется такая структура “галактикой”. Со временем слово «галактика» стало означать не только видимый Млечный Путь, но и всю эту звездную систему, так что мы говорим о нашем Солнце, как об одной из звезд Галактики.

Если смотреть на галактику «сверху», она напоминает спираль, а если «сбоку» – линзу. Попробуйте понять это без космического телескопа Хаббл! Гершель в свое время смог.

Уильям Гершель и попытка вычислить размеры галактики Млечный путь

Уильям Гершель попытался примерно определить размеры галактики, исходя из числа звезд, которые он видел в разных направлениях, а также из предположения, что они располагаются на равных расстояниях друг от друга.

Он пришел к выводу, что большой диаметр линзообразной Галактики примерно в 800 раз превышает среднее расстояние между двумя звездами (таким он считал расстояние между Солнцем и Сириусом — и угадал правильно, во всяком случае, для звезд, соседних с Солнцем). Малый диаметр Галактики, по его мнению, был больше этого среднего расстояния в 150 раз.

Таким образом, Гершель считал, что Галактика может содержать 300 000 000 звезд, т.е. в 50 000 раз больше, чем их видно невооруженным глазом. Далее, если принять среднее расстояние между звездами в 10 световых лет (при этом следует помнить, что первые реальные расстояния до звезд были измерены только через 16 лет после смерти Гершеля), то большой диаметр Галактики оказывался равным 8000 световых лет, а малый — 1500 световых лет.

А поскольку Млечный Путь, казалось, опоясывал все небо и повсюду был достаточно ярок, напрашивался вывод, что Солнце находится где-то неподалеку от центра Галактики.

Наблюдения Уильяма Гершеля и рассуждения Вильгельма Ольберса на целое столетие покончили с идеей о бесконечности Вселенной. Труды астрономов XIX в., все точнее подсчитывавших и наносивших на карту все большее количество звезд, только добавляли новые детали к общей картине, нарисованной Гершелем.

Высшим подвигом астрономов, проводивших трудоемкий визуальный подсчет звезд, было создание звездного атласа «Боннское обозрение», который начал выходить в 1859 г. под руководством немецкого астронома Фридриха Вильгельма Августа Аргеландера (1799— 1875), работавшего в Боннском университете. В конце концов в этот атлас были занесены положения полумиллиона звезд.

Один из первых звездных атласов «Уранометрия» (17 век) – звезд было открыто существенно меньше чем сейчас и вселенная ещё казалась уютной и обозримой

Вселенная все-таки бесконечна?

Однако во второй половине XIX в. с развитием фотографии необходимость визуально определять положение каждой звезды отпала навсегда. Фотография какой-нибудь части звездного неба навеки фиксировала эту часть, после чего звезды можно было спокойно подсчитывать в удобной обстановке.

Особенно много с фотографиями звездных полей работал голландский астроном Якоб Корнелий Каптейн (1851 —1922). Как и Гершель, он производил выборочные подсчеты звезд. Но в одном отношении Каптейн пошел дальше. Он предпринял систематические подсчеты звезд каждой звездной величины.

Если число звезд бесконечно, их общее количество должно непрерывно возрастать с каждым последующим слоем окружающего нас пространства (по принципу парадокса Ольберса), поскольку каждый последующий слой больше предыдущего и должен содержать большее количество звезд А так как более далекие звезды обычно выглядят более слабыми, казалось бы, следовало ожидать непрерывного возрастания числа звезд по мере убывания их яркости.

Каптеин, однако, обнаружил, что численность звезд самых больших звездных величин, т.д. самых слабых, по сравнению с предыдущими величинами не возрастает, а, наоборот, уменьшается. Это означало, что в наиболее отдаленных слоях звезды начинают редеть, и Каптеин смог определить примерное расстояние до тех последних “слоев”, где звезды исчезают совсем.

Полученные им результаты подтвердили гипотезу Гершеля о линзообразной Галактике, в центре или около центра которой находится наше Солнце. Однако вычисленные Каптейном размеры Галактики были больше полученных Гершелем.

В 1906 г. Каптейн оценил больший диаметр Галактики в 23 000 световых лет, а меньший— в 6000 световых лет. К 1920 г. он еще увеличил эти размеры — соответственно до 55 000 и 11000 световых лет. Таким образом, объем этой Галактики оказывался в 475 раз больше объема Галактики Гершеля.