Книга: Извечные тайны неба

Спектральный анализ

Спектральный анализ

Другой важный раздел астрономии получил бурное развитие в XIX в. на стыке астрономии и физики. Сегодня этот раздел называют астрофизикой.

Как и всякая другая область науки, астрофизика имеет долгую предысторию. Если говорить всерьез, то невозможно указать на одного-единственного «отца астрофизики». В сущности астрофизикой занимался уже Гиппарх, который разделил звезды по их блеску на 6 звездных величин. В начале XIX в. исследованиями по поляризации света большой вклад в будущую астрофизику внес француз Франсуа Араго.

Астрофизика взросла на анализе особенностей поступающего от небесных светил электромагнитного излучения. Основой астрофизики стал спектральный анализ.

Свечение тел, или, в более общем виде, излучение энергии в форме электромагнитных колебаний, – явление чрезвычайно сложное, тесно связанное с внутренним строением излучающего тела. Электромагнитные колебания, излучаемые твердыми и жидкими телами, не имеют строго определенной, единой длины волны, а являются «смесью» – набором колебаний всевозможных длин волн.

Так как изменение направления распространения волновых колебаний при переходе в среду с иной плотностью (преломление) связано с их длиной, то лучок разноволновых колебаний может быть «расщеплен» и разложен в спектр. Пропустив луч солнечного света через стеклянную призму, мы получим на экране цветную полоску – сплошной (или, иначе, непрерывный) спектр. Беспорядочная «смесь» колебаний с разнообразными длинами волн оказывается рассортированной. Впервые такой опыт с солнечным светом проделал Ньютон.

Газ, находящийся под высоким давлением, также дает непрерывный спектр, от которого резко отличается спектр светящегося газа и паров нормальной или пониженной плотности. Спектр светящегося газа состоит из отдельных линий излучения – некоторого числа узких ярких линий, разделенных темными промежутками. Число и положение линий излучения строго определенно и неизменно для каждого газа. Такой спектр носит название линейчатого.

В 1802 г. англичанин Волластон обнаружил на фоне непрерывного солнечного спектра семь узких темных линий. Эти линии привлекли внимание немецкого оптика, строителя телескопов Йозефа Фраунгофера.

Крупным недостатком линзовых телескопов-рефракторов долгое время оставалось окрашивание изображения, которое получалось из-за разложения света в спектр при прохождении через стеклянный объектив. Значительно ослабить этот недостаток можно, собирая объектив из двух или нескольких линз, сделанных из стекол с различными коэффициентами преломления.

С целью лучшего подбора оптических стекол для объективов Фраунгофер углубился в точные определения их коэффициентов преломления. Но ему постоянно мешала неопределенность, к какому именно виду света – красному, желтому или синему – отнести результат измерений.

Йозеф Фраунгофер, оптик и физик, прожил недолгую жизнь, но успел оставить яркий след в истории науки. Имея богатый практический опыт, он в тридцать лет становится совладельцем оптико-механической фирмы, которая снабжала совершеннейшими в то время астрономическими инструментами всех ведущих астрономов мира. Нам предстоит рассказать о Фридрихе Бесселе и В. Я. Струве: оба этих выдающихся астронома XIX века широко оснащали свои обсерватории астрономическими инструментами работы Фраунгофера.

Во время экспериментов в 1814 г. Фраунгофер вслед за Волластоном убедился, что солнечный спектр испещрен множеством темных линий, положение которых в спектре, так же как и линий излучения в линейчатом спектре, остается строго определенным и неизменным. Это открытие очень помогло Фраунгоферу, который стал свои измерения коэффициентов преломления всегда относить к каким-либо определенным темным линиям.

Значение темных линий в солнечном спектре, получивших название фраунгоферовых, было выяснено впоследствии совместными усилиями немецкого физика Кирхгофа и химика Бунзена. Раскладывая в спектр луч света, прошедший через холодный газ, они обнаружили на фоне непрерывного спектра темные линии поглощения точно в тех же местах, где находятся линии излучения, характерные для этого же газа в нагретом состоянии.

В результате открытия спектра поглощения существование фраунгоферовых линий в солнечном спектре сразу же получило исчерпывающее объяснение. Эти линии являются линиями поглощения паров различных химических элементов и соединений, расположенных между источником непрерывного спектра – яркой поверхностью Солнца – и спектральным прибором.

В дальнейшем выяснилась двойственная природа фраунгоферовых линий: часть из них обусловлена поглощением света молекулами азота, кислорода, воды и углекислого газа при прохождении через земную атмосферу, другая часть – поглощением света во внешней, очень разреженной газовой оболочке Солнца. Изучая именно эту, вторую часть спектральных линий поглощения в спектрах звезд, и удалось сделать первые шаги в изучении химической и физической природы далеких небесных тел.

Большие заслуги в развитии спектрального анализа применительно к астрофизическим задачам принадлежат выдающемуся русскому астроному А. А. Белопольскому.

Несмотря на кажущееся однообразие звездных спектров, они чрезвычайно различны в деталях. Было установлено, что это разнообразие происходит не столько от различий в химическом составе звезд, содержащих преимущественно водород и гелий, сколько от физических условий, в которых находится их излучающая поверхность, и в первую очередь от ее температуры.

По смещению линий к красному или фиолетовому концу спектра по эффекту Доплера – Физо стало возможным судить о скорости приближения или удаления излучающего тела по лучу зрения.

Как сказал поэт, «распялив луч в трехгранности стекла», наблюдатель звездного неба

… Сквозь трещины распластанного спектра

Туманностей исследовал состав,

Хвостов комет и бег миров в пространстве…

С помощью спектрального анализа оказалось возможным дать подробную классификацию всех наблюдаемых на небе звезд.

Как это обычно бывает в науке, глубокая физическая связь между различными явлениями обнаруживается значительно позже, чем такая связь устанавливается из опыта в форме некоторых эмпирических закономерностей. Лучшим примером в этом отношении может служить периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева – классификация, которая послужила замечательной основой для дальнейшего развития представлений о внутреннем строении веществ. Периодический закон Менделеева позволил сделать далеко идущие выводы и предсказания, причем последующие разработки не отвергали, а только все более обогащали первоначальную систему.

Нечто аналогичное, хотя и в гораздо более скромных размерах, получилось и при классификации звездных спектров. Правильная классификация в конечном счете позволила расположить все звезды в единую непрерывную последовательность на диаграмме Герцшпрунга-Рессела и приблизиться к пониманию законов их развития. И совсем не случайно один астроном в шутку назвал спектры звезд их «отпечатками пальцев».

Наряду со спектральным анализом, важнейшим стимулом интенсивного развития астрофизики послужило изобретение фотографии. Так случилось, что первое в мире публичное сообщение о великом изобретении Луи Дагера на совместном заседании Академии наук и Академии изящных искусств 19 августа 1839 г. в Париже сделал именно астроном – непременный секретарь Академии наук и глава Парижской обсерватории Франсуа Араго. Астрономы вместе с Араго тотчас по достоинству оценили непреходящее значение фотографии для науки. Уже в 1840 г. были получены дагерротипы с изображениями Луны, а Джон Гершель применил дагерротипную пластинку для регистрации солнечного спектра с помощью призмы, изготовленной Фраунгофером. Фотокамера в совокупности с телескопом – эта новая разновидность телескопа получила наименование астрографа – стала незаменимым астрономическим прибором. Регистрация спектров Солнца и звезд начала выполняться только фотографически.

Благодаря бурному развитию физической теории строения атомного ядра и совершенствованию техники физического эксперимента астрофизика в XX в. оказалась самой быстро развивающейся областью астрономии и заняла в ней доминирующее место.