Как узнают химический состав звезд? Как была доказана однородность Вселенной?

В 1665 году гениальный английский физик и математик Исаак Ньютон, занимаясь усовершенствованием телескопов, обратил внимание на то, что изображение, которое давал объектив, по краям было будто бы окрашено. Это явление настолько заинтересовало 21-летнего ученого, что он решил любой ценой установить природу происхождения таинственных цветных полос.

В то время в Англии свирепствовала Великая чума (1665—1666 годы), и Ньютон был вынужден укрыться в родной деревне Вулсторп. Перед отбытием в родной дом, ученый купил стеклянные призмы разного размера, чтобы в итоге совершить революционное открытие.

Кратко об эксперименте

Закрывшись в темной комнате днем, Ньютон проделал крошечное отверстие в ставне окна, а напротив пучка солнечных лучей, рвущихся в помещение, он поочередно помещал стеклянные призмы.

Белый свет, проходя через призму, создавал на стене изображение в виде полосы чередующихся цветов. Полученную цветную полоску солнечного света Ньютон условно разделил на семь цветов радуги – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Это позволило молодому ученому получить первый в истории спектр солнечного света.

Спектр – непрерывный ряд цветных полос, получается путем разложения луча белого света на составные части.

Благодаря открытию Исаака Ньютона появилось такое явление, как спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением.

Свет и химический состав звезд

В 1802 году английский химик Уильям Хайд Волластон проводил спектральный анализ Солнца и заметил странные темные линии, природу которых объяснить ему не удалось.

В 1814 году немецкий физик Йозеф Фраунгофер насчитал в спектре Солнца 574 таинственных темных полосы и пришел к ошеломительному умозаключению: темные полосы — это «знаки препинания» в «предложении» химического состава солнечной атмосферы.

Для простоты понимания: разложили свет, получили сплошную спектральную линию, которая в каком-то месте прерывается фраунгоферовой линией (темная полоса, названная в честь Фраунгофера).

После фраунгоферовой линии сплошная спектра продолжается до тех пор, пока не появится еще одна полоса и так далее. Например, если длина волны (сплошной, до появления темной полосы) составляет 8987,65 Ангстрем (1 Ангстрем = 0,1 нанометр), то это говорит о наличии кислорода в составе объекта, чье излучение было разложено на спектр. Если длина волны 5270,39 Ангстрем — железо, 5889,95 Ангстрем — натрий и так для всех химических элементов.

Благодаря спектральному анализу в 1868 году в спектре Солнца был обнаружен еще неизвестный на тот момент химический элемент, названный гелием. Кто бы мог подумать, что это второй по распространенности элемент во Вселенной после водорода!

Астрономию ждала революция

Почти столетие спустя, когда появились соответствующие технологии, астрономы смогли разложить свет звезд, удаленных на десятки, сотни и тысячи световых лет от Земли, определив их химический состав с беспрецедентно высокой точностью. Было установлено, что по сути все звезды имеют одинаковый химический состав, что указывало на однородность Вселенной.

Однако судить о всей Вселенной по звездам Млечного Пути было бы слишком опрометчиво. Астрономы хотели заглянуть дальше, узнать о химии в самых дальних уголках космического пространства. Но как такое возможно? Отдельные звезды с расстояния в миллиарды световых лет неразличимы и не поддаются анализу…

На помощь пришли квазары — активные ядра галактик на начальном этапе развития, в которых сверхмассивная черная дыра поглощает окружающее вещество формируя аккреционный диск.

Важно отметить, что квазары являются одними из самых ярких и наиболее удаленных от Земли объектов.

Во второй половине XX века, когда были открыты сотни квазаров, часть из которых оказалась удалена почти на 12,5 миллиарда световых лет (возраст Вселенной примерно 13,8 миллиарда лет) от Земли, астрономы приступили к спектральному анализу этого древнейшего излучения, которое миллиарды лет мчалось через «черный ящик» Вселенной в сторону Земли.

Это позволило установить, что Вселенная наполнена элементами, о существовании которых мы знаем из периодической системы химических элементов. Бесконечное космическое пространство оказалось фантастически однородным.