Двадцать лет спустя астрономы подтвердили его предсказание. Чтобы измерить допплеровский сдвиг, ученые сравнивают длину волны спектральной линии определенного элемента в лаборатории с той же самой линией в спектре звезды. Таким образом определяется скорость движения звезды относительно Земли. У звезд, двигающихся к Земле, например, при вращении друг относительно друга в двойной системе, спектральные линии смещены в сторону коротких волн, в фиолетовую часть спектра. Это известно как фиолетовое смещение. У звезд, удаляющихся от Земли, спектральные линии смещены в длинноволновую область, в красную часть спектра. Это — оптическое красное смещение. Оно отличается от гравитационного красного смещения, которое является следствием влияния гравитации на свет.
В 1929 году 40-летний американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл, изучая оптическое красное смещение звезд, сделал важное открытие, которое во многом повлияло на наше понимание процессов, происходящих во Вселенной. Почти десять лет Хаббл наблюдал галактики в Маунт-Вилсоновской обсерватории близ Пасадины в штате Калифорния. Делал он это с помощью телескопа Хукера, тогда самого большого и лучшего телескопа в мире. В результате кропотливых измерений Хаббл обнаружил, что красное смещение галактик — другими словами, скорость, с которой галактики удаляются от нас, — зависит от их расстояния до Земли. Чем дальше галактика, тем быстрее она движется, причем ее скорость является произведением расстояния от галактики до Земли на постоянную Хаббла (закон Хаббла). Величина этой постоянной равна 70 километрам в секунду на 30,8 миллиона триллионов километров (мегапарсек). Другими словами, при увеличении расстояния от Земли до галактики на 30,8 миллиона триллионов километров скорость их удаления от нас увеличивается на 70 километров в секунду.
Открытие Хаббла стало первым доказательством расширения Вселенной. Оно легло в основу теории Большого взрыва, которую астрофизики предложили в конце 1960-х годов. Согласно этой теории, около 13 миллиардов лет назад произошел взрыв крошечного, сверхплотного, сверхгорячего сгустка материи, и с тех пор он расширяется как воздушный шар. При расширении Вселенной разные галактики, подобно пятнам на поверхности шарика, отдаляются друг от друга. Другими словами, красное смещение связано не с относительным движением галактик и Земли, а с расширением самой Вселенной. Ученые назвали его «космологическим красным смещением»[78]. Коротковолновое излучение — гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение и часть инфракрасного излучения — поглощаются атмосферой, так что астрономы стараются наблюдать их с помощью телескопов на орбитальных спутниках.
Радиоволны относятся к низкочастотной, длинноволновой области спектра. Они свободно проходят через атмосферу, поэтому астрономы могут изучать их с поверхности Земли. Радиоастрономия появилась почти случайно, в 1932 году, когда Карл Янски из «Bell Telephone Laboratory» пытался определить природу шумов при переговорах по трансатлантическому кабелю. Оказалось, что их вызывали радиоволны, идущие из центральной части Млечного Пути, причем они оказались гораздо сильнее тех, что шли от Солнца. Первоначально радиоастрономы использовали вогнутую тарелку, которая фокусировала радиоволны в антенну-приемник. Но после изобретения радаров, сыгравших большую роль во Второй мировой войне, радиоастрономы вооружились значительно более совершенной аппаратурой. Благодаря радиоастрономии было сделано одно из самых революционных открытий в астрофизике. Заряженные частицы при ускорении испускают излучение. Электроны, вращаясь с высокой скоростью в магнитном поле галактик, излучают длинные электромагнитные волны, то есть радиоволны. Таким образом, каждая галактика излучает радиоволны. Однако некоторые галактики являются более мощными источниками излучений, чем другие, причем они излучают радио-и световые волны одинаковой интенсивности. Это весьма необычное явление, поскольку большинство галактик в основном испускают свет. Радиоволны, приходящие из некоторых далеких галактик, в миллиарды раз интенсивнее радиоволн, идущих к нам из Млечного Пути. В конце 1940-х годов астрономы обнаружили три гораздо более мощных источника радиоволн, чем все известные ранее. Это излучение приходит из определенных созвездий. Сами источники казались полной загадкой, и никто не имел ни малейшего представления, что же это такое[79].
Вальтер Бааде (бывший сотрудник Цвикки) и 56-летний астрофизик Рудольф Минковский решили попробовать найти оптические аналоги этих таинственных источников[80]. В 1954 году, используя крупнейший в мире оптический телескоп в Паломарской обсерватории, они обнаружили объект, который никак не мог быть звездой. Он находился примерно в центре одного из мощных источников радиоволн из созвездия Лебедя, за пределами нашей галактики. Они назвали его Лебедь А. Его красное смещение указывало на то, что он удаляется от нас со скоростью 16000 километров в секунду — примерно 5 процентов от скорости света. Согласно закону Хаббла, источник оказался поразительно далеким — его разделяет с нами 7300 миллионов триллионов километров. Сириус, самая яркая звезда, которую можно увидеть невооруженным глазом в ночном небе, находится на расстоянии 83 триллиона километров, а Солнце — на расстоянии лишь 150 миллионов километров. Лебедь А — самый мощный источник радиоволн в небе Северного полушария.
Изучая фотопластинки, Бааде и Минковский предположили, что источником этого шквала радиоволн могут быть две сталкивающиеся галактики. Но чтобы поддержать выход радиоизлучения такой мощности, галактики должны сталкиваться постоянно, что делало идею Бааде и Минковского сомнительной[81]. Примерно в то же время английские астрономы с помощью радиотелескопов в Джодрелл-Бэнк заметили, что это радиоизлучение приходит из двух удаленных друг от друга «лепестков», — оказалось, Лебедь А состоит из компактного ядра с очень высокой мощностью излучения и двух мощных источников радиоизлучения с обеих сторон этого ядра.
К 1963 году астрономы исследовали два других странных объекта. Они числились в каталоге как 3С 48 и 3С 273[82]. С помощью оптических телескопов астрономы обнаружили у этих объектов оптические двойники — как и у Лебедя А. Но они оказались еще более загадочными — некоторые линии в их спектрах выглядели очень странно. Они явно не могли принадлежать ни одному из знакомых ученым элементов.
Неужели во Вселенной существуют какие-то новые, неизвестные еще элементы? Маартен Шмидт и астроном из Калтеха Джесси Гринстейн, бывший коллега Чандры по Йерксу, часто обсуждали эту возможность с Вилли Фаулером, экспертом Калтеха по химии звезд. Обсуждение обычно проходило за чашкой кофе, правда, Фаулер предпочитал мартини. Он был убежден, что все эти разговоры о новом элементе — полная чушь. И он оказался прав — вскоре Шмидт понял, что таинственные спектральные линии 3С 273 — линии, испускаемые атомами водорода, но с невероятно большим красным смещением, на целых 16 процентов. Из этого следует, что 3С 273 удален от нас на 19,2 миллиарда триллионов километров, он даже дальше, чем Лебедь А, причем продолжает свое движение, можно сказать, мчится, со скоростью 40 тысяч километров в секунду (около 13 процентов от скорости света). Он выдвинул эту теорию как «достаточно очевидную и не вызывающую особых возражений».
В течение нескольких дней Гринстейн и Томас А. Мэтьюз из Калтеха определили, что спектральные линии 3С 48 сдвинуты в красную область спектра на 37 процентов. Это означает, что 3С 48 удаляется от нас со скоростью 74400 километров в секунду (примерно 25 процентов от скорости света) и по закону Хаббла находится на расстоянии 38 миллиардов триллионов километров. Другими словами, свет от этих звезд добирался до нас миллиард лет. Глядя на них, мы видим Вселенную такой, какой она была миллиард лет назад.
