Сейчас мы умеем определять расстояния на Земле очень точно. Что касается ближнего космоса, с ним дело обстоит тоже неплохо. В нашей Солнечной системе мы умеем определять расстояние до Луны, до других планет методом радиолокации, посылая сигнал и принимая отраженный. Время запаздывания дает нам представление о расстоянии. Лазерная локация Луны позволяет засекать расстояния на поверхности Луны с точностью в сантиметры и даже доли сантиметра. А вот до звезд расстояния определяются уже по-другому.
Принцип определения расстояний до других звезд довольно прост. Это чистая геометрия. Когда Земля движется по орбите вокруг Солнца, звезда, которую мы наблюдаем, описывает среди более далеких звезд небольшой эллипс, который повторяет форму орбиты Земли. Размер видимого эллипса обратно пропорционален расстоянию до звезды.
Для межзвездных расстояний вводится единица парсек — сокращение от «параллакс» и «секунда». Это такое расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом в одну секунду дуги. Наш глаз не способен разрешить такой угол. Толщина человеческого волоса составляет одну десятую миллиметра. С расстояния 40 сантиметров мы видим волос под углом в одну минуту. Это предельное угловое разрешение нашего глаза. Угол в одну секунду в 60 меньше. Под таким углом мы могли бы видеть волос на расстоянии 20 метров.
Ближайшие звезды так далеки, что для них углы составляют секунду и меньше. До ближайшей звезды Альфа в созвездии Кентавра чуть больше одного парсека, и угол, под которым с нее видна земная орбита, составляет три четверти угловых секунды. Эти углы мерить очень трудно. За все время наземных телескопических наблюдений (примерно 100 лет) таким первичным геометрическим методом было измерено немногим больше 10 тысяч звездных параллаксов, то есть расстояний до звезд. Точность составила одну десятую угловой секунды. Она кажется нам фантастической, но ее можно достигнуть многократными наблюдениями одной и той же звезды.
Чтобы определять расстояния до более далеких звезд, нам нужна точность в тысячу раз лучше. Точность в одну миллисекунду дуги, одну тысячную секунды. Под таким углом человеческий волос будет виден с расстояния 20 километров. Это кажется фантастикой, но такая точность астрономами достигнута.
В 1989 году на околоземную орбиту был запущен спутник «Гиппарх», названный в честь древнего астронома Гиппарха, который составил первый звездный каталог. Этот спутник смог определить параллаксы более чем до 100 тысяч звезд с точностью в одну миллисекунду дуги и примерно до двух с половиной миллионов звезд с точностью в два-три раза хуже. Это позволило нам создать трехмерную карту распределения звезд вокруг Солнца до расстояния примерно в две-три тысячи световых лет — около одного килопарсека, то есть одной тысячи парсек. Но это расстояние — лишь малая часть объема нашей галактики, поперечник которой составляет сотню тысяч световых лет.
Мы с нетерпением ожидаем появления данных с «Геи». Однако даже такая точность измерений не позволяет нам определять расстояния до других галактик, тем более очень далеких. Приходится изобретать новые методы. Наиболее широкое распространение получил метод «стандартной свечи». Если у вас есть лампочка накаливания мощностью 100 ватт, освещенность, которую она создает с расстояния один метр, в четыре раза больше освещенности, создаваемой с расстояния два метра. Освещенность падает обратно пропорционально квадрату расстояния.
Звезды можно считать такими же лампочками. Две звезды одинакового размера и температуры должны излучать одинаковую энергию. Если нам известна эта энергия, то звезды подобного типа можно использовать для определения расстояний. Узнать полное энерговыделение звезды, или светимость, можно с помощью звезд, до которых известны расстояния, измеренные с помощью высокоточных тригонометрических параллаксов. Этот процесс называется калибровкой. Хотя любая звезда может быть «стандартной свечой», астрономам удобнее использовать звезды, которые чем-то выделяются среди других. Такими являются пульсирующие переменные звезды, или цефеиды.
Цефеида — это гигантский пульсирующий шар. Физики знают, что период собственных колебаний газового шара связан с его средней плотностью. Чем меньше плотность, тем больше период колебаний. Количество света, которое мы получаем от колеблющейся звезды, меняется строго периодично. Такие звезды легко распознать в других галактиках на фоне звезд постоянного блеска. Найдя цефеиду, период пульсаций которой равен 10 суткам, мы можем сравнить ее известное энерговыделение с видимым блеском и оценить расстояние до нее, а следовательно, до галактики.
Есть еще более яркие «стандартные свечи» — некоторые типы сверхновых звезд. Сверхновые представляют собой конечный результат эволюции массивных звезд или слияния белых карликов. Взрыв сверхновой на протяжении нескольких дней выделяет столько энергии, сколько Солнце выделит за всю свою жизнь — 10 миллиардов лет. Такие звезды светят почти как целая галактика и видны на самых границах нашей видимой Вселенной. Сравнив их известное энерговыделение с видимым блеском, мы определяем расстояние.
Поскольку это самые яркие объекты во Вселенной, изучение сверхновых звезд дает возможность изучать структуру Вселенной на больших масштабах и ее временную эволюцию. Одному из типов сверхновых звезд — взрывающимся белым карликам — удалось обнаружить новый темную энергию, за которую в 2011 году трое астрофизиков получили Нобелевскую премию.
«Стандартных свечей» и методов определения расстояний существует гораздо больше. К сожалению, каждый из этих методов дает свою шкалу расстояний, поэтому не всегда удается согласовать расстояния, определенные разными методами. Примерно каждые 10 лет астрономы, занимающиеся проблемой определения расстояний, собираются вместе и обсуждают животрепещущие вопросы. Определение расстояний лежит в основе современной астрономии, хотя занимается этими проблемами не так уж много астрономов.
Последняя такая встреча состоялась в августе 2012 года в Пекине. Во время генеральной ассамблеи Международного астрономического союза там проходил специальный симпозиум, посвященный проблемам определения шкалы расстояний и согласования шкал, которые дают разные стандартные свечи.
