Читать книгу Стеклянный небосвод: Как женщины Гарвардской обсерватории измерили звезды - Дава Собел - Страница 5

Средства, выделенные на Мемориал Генри Дрейпера, оживили обсерваторию Гарвардского университета – появились новые люди и задачи. Строительство небольшого здания для телескопа доктора Дрейпера началось в июне 1886 года и продолжалось все лето, пока миссис Дрейпер путешествовала по Европе. В октябре инструмент был установлен под новым куполом. Теперь телескопов, оборудованных для ночных сеансов астрофотографии, стало два – 11-дюймовый (28 см) телескоп Дрейпера и 8-дюймовый (20 см), приобретенный на грант фонда Бейча при Национальной академии наук в размере $2000. Знаменитый Большой рефрактор, через который в 1850 году впервые в истории был сделан снимок звезды, позднее оказался непригодным для фотосъемок. Его 15-дюймовая (38 см) линза была предназначена для визуального наблюдения, то есть для человеческого глаза, наиболее чувствительного к свету в желто-зеленом диапазоне. В отличие от него, линзы двух новых инструментов пропускали синий свет, к которому чувствительны фотопластинки. Телескоп от фонда Бейча, помимо прочего, был широкоугольным и позволял обозревать большие участки неба.

Менее чем за десятилетие своего руководства Эдвард Пикеринг перенес приоритет обсерватории с астрономии старой школы, сосредоточенной на звездных координатах, на исследования физической природы звезд. Половина штата расчетчиц по-прежнему занималась вычислением местоположения и орбит небесных тел, но часть женщин учились интерпретировать снимки, полученные в обсерватории, и совершенствовались в распознавании спектральных картин. В скором времени эта деятельность привела к появлению нового типа звездного каталога.

Древнейший известный астроном Гиппарх Никейский во II веке до н. э. составил каталог из тысячи звезд, а его последователи только дополняли этот небесный список. Запланированный Каталог Генри Дрейпера должен был стать первым в истории, основанным исключительно на фотоснимках неба и описывающим не только координаты и блеск, но и «спектральный класс» огромного множества звезд.

Доктор Дрейпер с женой изучали спектры поштучно, используя призму у окуляра телескопа для разложения света каждой звезды. Пикеринг с помощниками в стремлении ускорить работу изменил подход Дрейперов. Переставив призмы с окуляра на объектив, то есть на светособирающий конец телескопа, он получил возможность делать групповые снимки двух-трех сотен спектров на одной пластинке. Призмы представляли собой большие квадратные листы толстого стекла с клиновидным сечением. «Удобство и безопасность обращения с призмами, – как обнаружил Пикеринг, – чрезвычайно возрастают при помещении их в квадратные латунные ящики, которые выдвигаются как у комода». Гарвардская фотогалерея стремительно пополнялась. Когда миссис Дрейпер нанесла следующий визит вскоре после Дня благодарения, Пикеринг заверил ее, что каждая звезда, видимая из Кеймбриджа, присутствует по крайней мере на одной фотопластинке.

В конце декабря 1886 года, как раз когда персонал преодолел большинство сложностей с новыми процедурами, кавалер Нетти Фаррар сделал ей предложение. Пикеринг, разумеется, был только за брак, но ему было очень жаль терять мисс Фаррар с ее ветеранским пятилетнем стажем расчетчицы, которую он лично обучил измерять спектры на фотопластинках. В новогоднюю ночь он написал миссис Дрейпер о помолвке мисс Фаррар и сообщил, что назначает Вильямину Флеминг, бывшую горничную, вместо нее.

После возвращения из Шотландии в 1881 году миссис Флеминг помогала Пикерингу с фотометрией. Обычно она брала карандашные заметки директора о ночных наблюдениях и с помощью указанных им формул рассчитывала звездные величины. К 1886 году, когда Королевское астрономическое общество наградило Пикеринга за этот труд золотой медалью, он уже начал применять параллельный подход к фотометрии – через фотографию. Теперь миссис Флеминг, привыкшей разбирать ряды цифр, накорябанных в потемках, предстояло оценивать величины множества звезд на стеклянных пластинках.

Миссис Флеминг уже говорила Пикерингу, что фотография в ее семье не была чем-то новым. Ее отец Роберт Стивенс, резчик и позолотчик, знаменитый своими золочеными рамами для картин, первым из жителей Данди занялся дагеротипией, как это называлось в те времена. Ей было всего семь лет, когда отец скоропостижно скончался от сердечной недостаточности. Мать и старшие дети какое-то время пытались удержать бизнес на плаву без него, но безуспешно. Один за другим старшие братья перебрались за океан в Бостон, и она в конце концов последовала за ними. Теперь, в 29 лет, у нее был собственный семилетний ребенок, которого нужно было обеспечивать. Эдвард должен был скоро приехать; мать миссис Флеминг уже забронировала билеты на пароход Prussian, отплывающий из Глазго.

Мисс Фаррар добросовестно ознакомила миссис Флеминг со снимками звездных спектров и обучила ее измерять полчища микроскопических линий. Миссис Флеминг могла бы кое-чему научить мисс Фаррар по части брака и деторождения, но все, что касалось спектров, ей приходилось осваивать с нуля.

Слово «спектр» ввел молодой Исаак Ньютон в 1666 году для обозначения цветов радуги, возникавших словно призрачные видения при прохождении дневного света сквозь ограненное стекло или хрусталь. Хотя его современники думали, что стекло нарушает чистоту света, привнося окраску, Ньютон полагал, что цвета – в природе самого света. Призма просто выявляла цветные составляющие белого света, преломляя их под разными углами так, что они становились видимыми.

Микроскопические темные линии внутри звездных спектров, на которые теперь было направлено внимание миссис Флеминг, назывались фраунгоферовыми линиями в честь их первооткрывателя Йозефа фон Фраунгофера из Баварии. Сын стекольщика, Фраунгофер поступил подмастерьем на фабрику зеркал и впоследствии стал мастером по изготовлению линз для телескопов. В 1816 году[5], чтобы точно измерять преломляющую способность различных составов стекла и конфигураций линз, он сконструировал устройство, совмещающее призму с небольшим контрольным телескопом. Направляя луч света от призмы сквозь щель, в увеличенное поле зрения телескопа, он видел длинную узкую радугу, испещренную множеством темных линий. Неоднократные перепроверки убедили его, что линии, как и цвета радуги, не были результатом прохождения луча сквозь стекло – они были присущи самому солнечному свету. Прибор Фраунгофера для контроля качества линз стал первым в мире спектроскопом[6].

Описывая свои открытия, Фраунгофер обозначал наиболее заметные линии буквами алфавита: A – широкая черная линия на самом краю красной части спектра, D – двойная темная полоса в оранжево-желтой части и т. д. вплоть до пары H в сине-фиолетовой и I на краю фиолетовой.

Фраунгоферовы линии носили свои первоначальные буквенные названия еще десятки лет после его смерти. Их значимость возрастала по мере того, как ученые наблюдали, картировали, интерпретировали, измеряли и зарисовывали их тонкими перьями. В 1859 году химик Роберт Бунзен и физик Густав Кирхгоф, совместно работавшие в Гейдельберге, интерпретировали фраунгоферовы линии в спектре Солнца как доказательство присутствия там конкретных земных веществ. Раскаляя в лабораторных условиях различные чистые элементы до свечения, они продемонстрировали, что каждый из них дает свой характерный набор спектральных линий. Натрий, например, давал близко расположенную пару ярких оранжево-желтых полосок. Они совпадали по длине волны с парой темных линий, которую Фраунгофер обозначил буквой D. Казалось, будто лабораторный образец горящего натрия закрашивал именно эти темные разрывы в радуге Солнца. Из череды подобных совпадений Кирхгоф заключил, что Солнце представляет собой огненный шар из множества горящих элементов, окутанный газообразной атмосферой. Когда свет проходит сквозь внешние слои Солнца, яркие линии излучения поглощаются более холодной окружающей атмосферой, оставляя характерные темные прогалины в солнечном спектре.

Астрономы, многие из которых считали Солнце умеренно теплым, потенциально обитаемым миром, были ошеломлены, узнав о том, какая на нем адская жара. Однако вскоре их успокоили – и даже утешили – научные возможности спектроскопии, позволявшей узнать химический состав небесного свода. «Спектральный анализ, – говорил Генри Дрейпер, выступая перед членами нью-йоркского отделения Ассоциации молодых христиан в 1866 году, – дал химикам руки длиной в миллионы миль».

В 1860-е годы первопроходцы спектроскопии, такие как Уильям Хаггинс, разглядели фраунгоферовы линии в спектрах других звезд. В 1872 году Генри Дрейпер начал их фотографировать. Хотя количество спектральных линий звездного света бледнело на фоне богатства солнечного спектра, обнаружился ряд узнаваемых закономерностей. По всей видимости, звезды, которые до сих пор нестрого классифицировали по блеску или цвету, можно было различать по спектральным характеристикам, указывавшим на их истинную природу.

В 1866 году патер Анджело Секки из Ватиканской обсерватории разделил 400 звездных спектров на четыре класса, обозначив их римскими цифрами. В класс I Секки включил яркие бело-голубые звезды, такие как Сириус и Вега, в спектрах которых присутствовали четыре интенсивные линии, указывающие на наличие водорода. В класс II вошли Солнце и подобные ему желтоватые звезды со множеством спектральных линий железа, кальция и других элементов. Классы III и IV состояли из красных звезд, различавшихся наборами темных полос в спектрах.

Пикеринг поставил перед миссис Флеминг задачу усовершенствовать эту примитивную систему классификации. Секки зарисовывал спектры вручную по прямым наблюдениям нескольких сотен звезд, в ее же распоряжении были снимки из Мемориала Генри Дрейпера, дававшие возможность изучать тысячи спектров. Стеклянные фотопластинки давали более точные изображения фраунгоферовых линий, чем любой рисунок. Кроме того, они фиксировали линии в дальней области ультрафиолетового спектра, не воспринимаемой глазом.

Миссис Флеминг извлекала каждую пластинку из коричневого конверта, не оставляя отпечатков пальцев на стеклянной поверхности размером 20×25 см. Фокус заключался в том, чтобы, удерживая тонкий конверт за боковые кромки, поместить его открытым краем вниз на специальную подставку, а затем снять с фотопластинки, как будто распашонку с ребенка. Убедившись, что эмульсионная сторона пластинки обращена к ней, миссис Флеминг ослабляла хватку, и пластинка соскальзывала на свое место. Деревянная подставка удерживала ее под углом 45°. Закрепленное на плоском основании зеркальце отражало дневной свет, лившийся из больших окон в кабинете расчетчиц, и просвечивало пластинку. Миссис Флеминг склонялась с лупой над картинами звездного мира, доступными не всякому. Она часто слышала, как директор говорил: «Увеличительное стекло позволяет увидеть на фотоснимке больше, чем мощный телескоп в небе».

На пластинке умещались сотни спектров. Все были малюсенькие – чуть более сантиметра у ярких звезд и лишь полсантиметра у тусклых. Каждый следовало привязать к номеру в новом Каталоге Генри Дрейпера, а также определить звезду по ее координатам, которые миссис Флеминг устанавливала с помощью миллиметровых и сантиметровых делений, нанесенных на деревянную рамку. Она произносила цифры вслух сидевшей рядом коллеге, которая заносила информацию в журнал. Потом они сопоставляли дрейперовские номера с известными названиями или номерами звезд в старых каталогах.

В таинственных линиях спектров миссис Флеминг усмотрела такое разнообразие, что ей пришлось увеличить число классов звезд в четыре раза по сравнению с классификацией патера Секки. Она заменила римские цифры, которые быстро стали громоздкими, буквами алфавита по примеру Фраунгофера. Большинство звезд попало в класс A, так как у них наблюдались лишь широкие темные линии, принадлежавшие водороду. У спектров класса B присутствовал ряд других темных линий, помимо водородных, а начиная с класса, обозначенного ею как G, присутствие множества всевозможных линий становилось типичным. У класса O имелись лишь светлые линии, а буква Q стала обозначением класса, где накапливались все необычные спектры, которые не удалось отнести куда-либо еще.

Пикеринг высоко оценил труды миссис Флеминг, несмотря на произвольный, эмпирический характер ее классификации. Он считал, что со временем, когда будет исследовано еще больше звезд, фундаментальные причины различий спектров объяснятся сами собой. Возможно, дело было в разных температурах звезд, разном химическом составе, разных стадиях звездной эволюции или некоем сочетании всех этих факторов – либо в чем-то, чего пока никто представить себе не мог.

В январе 1887 года Пикеринг придумал способ увеличения изображений спектров – прежде маленьких нечетких пятнышек – до впечатляющего размера 10×60 см. Он удивил миссис Дрейпер, послав ей несколько образцов. «Кажется невероятным, что можно сделать такие снимки звездных спектров, которые способны вынести увеличение в таких масштабах, как присланные мне вами, – написала она 23 января. – Интересно, что скажет мистер Хаггингс, когда их увидит». Этот вопрос побудил ее увеличить финансовую поддержку Мемориала Генри Дрейпера, составлявшую на тот момент примерно $200 в месяц, пообещав бессрочные ежегодные выплаты в размере $8000–9000.

У миссис Дрейпер больше не было причин цепляться за свою мечту самостоятельно продолжить исследования мужа. Она решила, что лучше забрать из обсерватории в Гастингсе его оставшиеся телескопы и подарить их Гарварду. Самый большой, с зеркалом диаметром 28 дюймов (71 см), мог бы стать важным подспорьем в исследованиях Пикеринга. И все-таки она колебалась. Она легко рассталась с 11-дюймовым рефрактором, теперь поселившимся в Кеймбридже, но 28-дюймовый рефлектор хранил драгоценную память о дне ее свадьбы.

Генри всегда предпочитал телескопы-рефлекторы, концентрирующие свет с помощью зеркала, а не линзы, которая может искажать цвет. Он занялся собственноручным изготовлением зеркал сразу после того, как окончил медицинскую школу, и сделал их около сотни, но его главным достижением стал 28-дюймовый рефлектор. На следующий день после того, как Генри с Анной обменялись брачными клятвами в гостиной ее отца, 12 ноября 1867 года, они вместе отправились в город покупать стеклянный диск, какие используются для устройства потолочных фонарей. Он подходил для изготовления зеркала диаметром 28 дюймов. Впоследствии они называли эту поездку «своим свадебным путешествием». Понадобилось несколько лет, чтобы обточить и отполировать диск до нужной кривизны и нанести сверхтонкое серебряное покрытие, превратившее стекло в идеальное зеркало.

Новый рефлектор позволил им сделать первый эпохальный снимок спектра Веги в 1872 году, а также несравненную фотографию туманности Ориона десять лет спустя и последнюю серию снимков звездных спектров летом перед кончиной Генри. В одну из этих душных июльских ночей небо оказалось слишком облачным, и им пришлось около полуночи покинуть обсерваторию и отправиться домой. Но, когда они оказались в 3 км от своего загородного дома в деревне Доббс-Ферри на реке Уикерс-Крик, тучи рассеялись. Супруги развернули лошадей и поехали назад в Гастингс, чтобы возобновить работу. Это был не единственный случай, когда они возвращались, чтобы еще немного продолжить наблюдения.

«Миссис Дрейпер решила отправить в Кеймбридж 28-дюймовый рефлектор и его монтировку», – объявил Пикеринг 1 марта 1887 года в первом годовом отчете Мемориала Генри Дрейпера. Он возносил благодарности покровительнице проекта не только за инструменты, необходимые для работы, но также за средства, позволявшие не давать им простаивать «в ясные ночи», за «возможность содержать значительный штат расчетчиц» и публиковать результаты. Пикеринг надеялся, что ее примеру последуют другие благотворители и обеспечат финансирование астрономических исследований в других местах.

Весной 1887 года, пока миссис Дрейпер договаривалась с Гудзонской железной дорогой о вагоне для перевозки рефлектора в Гарвард, обсерватория получила еще один подарок – около $20 000, к которым должны были ежегодно добавляться $11 000, – на сооружение дополнительной станции наблюдения на вершине горы.

Пикеринг всю жизнь занимался альпинизмом. Сначала он осваивал горы Новой Англии с молодыми товарищами, называвшими его «Пик» и даже «Пикки». Затем измерял высоты интересовавших его вершин Уайт-Маунтинс в Нью-Гэмпшире, для чего отправлялся туда пешком, в одиночку, с семью килограммами оборудования на спине. В 1876 году, примерно тогда, когда он, покинув физический факультет Массачусетского технологического института, стал руководить Гарвардской обсерваторией, Пикеринг основал Аппалачский клуб альпинистов для таких же, как он, любителей активного отдыха и стал его первым президентом. Оставаясь активным членом клуба в 1887 году, он хорошо представлял себе преимущества установки телескопа на больших высотах.

Источником этого неожиданного дара судьбы было спорное завещание Урии Бойдена, эксцентричного изобретателя и инженера, получившего почетную гарвардскую степень в 1853 году. Когда в 1879 году холостой и бездетный Бойден скончался, он завещал $230 000 на возведение обсерватории выше области атмосферных помех, от которых страдали астрономы на уровне моря. Многие уважаемые институты, в том числе Национальная академия наук, претендовали на оставшееся после Бойдена наследство, но Пикеринг убедил душеприказчиков Бойдена в том, что Гарвардский университет – наилучшее место для разумного вложения средств, а Гарвардская обсерватория лучше всего подходит для осуществления воли завещателя. Торжествуя победу после пятилетних вежливых препирательств, Пикеринг организовал исследовательскую экспедицию в Скалистые горы, штат Колорадо.

Фонд Бойдена предоставил Пикерингу средства, чтобы переманить его младшего брата из Массачусетского технологического института. Теперь Уильям, тоже постоянный член Аппалачского клуба альпинистов, стал помощником директора и консультантом по рекогносцировочным изысканиям на западе. В июне 1887 года братья выехали из Кеймбриджа, взяв с собой Лиззи Пикеринг, трех молодых волонтеров из обсерватории и 14 ящиков оборудования. В июле в Колорадо-Спрингс к ним присоединилась миссис Дрейпер.

Хотя в США тогда еще не было ни одной высокогорной астрономической обсерватории, в федеральном заповеднике на горе Пайкс-Пик находилась самая высокогорная в мире метеостанция. Она располагалась на высоте более 4 км и принадлежала войскам связи сухопутных сил США. Поэтому Пайкс-Пик была единственной американской горой с известными погодными условиями (помимо статистики по годовому количеству осадков). Когда в августе команда Пикеринга в составе пятерых мужчин, оставив внизу нагруженных научной аппаратурой мулов, поднялась на гору, то попала в буран с градом и грозой – по их сообщению, очень сильной. В течение месяца они побывали на трех вершинах в регионе, сравнивая тамошние условия различными методами, в частности с помощью гелиографа, усовершенствованного Уильямом, и осадкомера, а также фотосъемки неба через 12-дюймовый телескоп. Условия выглядели неподходящими. Что еще хуже, ходили слухи о возможном превращении Пайкс-Пик в туристическую достопримечательность, а это грозило наплывом людей, далеких от астрономии.

Так и не решив, где будет располагаться обсерватория Бойдена, Пикеринг вернулся в Кеймбридж. Он подумывал о том, чтобы на следующее лето снова побывать в Скалистых горах или попытать удачи где-то еще.

В октябре, после того как миссис Дрейпер вернулась на восток, закрыла свой загородный дом в Доббс-Ферри на зиму и снова поселилась на Мэдисон-авеню, она отблагодарила Пикеринга за летний поход, подарив ему изукрашенный карманный телескоп, некогда принадлежавший королю Людвигу Баварскому.

Теперь, когда в съемках были задействованы два, а то и три телескопа всю ночь напролет, обсерватория расходовала фотопластинки в ускоренном темпе. В 1886–1887 годах качество фабричных сухих фотопластинок улучшилось, позволив обнаруживать еще более тусклые звезды, и Пикеринг продуктивно использовал каждое новое усовершенствование. Он опробовал продукцию разных компаний и соответственно менял поставщиков; он поощрял производителей и дальше повышать чувствительность пластинок и просил высылать ему новейшие образцы для испытания.

Вместе с количеством снимков рос и объем данных для расчетов. Место Анны Уинлок в кабинете для расчетов заняла в 1886 году ее младшая сестра Луиза, а на следующий год к ней присоединились мисс Энни Мастерс, мисс Дженни Рагг, мисс Нелли Сторин и мисс Луиза Уэллс. Теперь в штате числилось 14 расчетчиц, включая руководившую ими миссис Флеминг. Большинство девушек были моложе ее и, имея примерно такой же социальный статус, относились к ней уважительно. Ситуация изменилась в 1888 году с приходом 22-летней Антонии Мори, которая не только окончила Колледж Вассара с отличием по физике, но и приходилась племянницей Генри Дрейперу.

«У девочки необыкновенные способности к науке, – написала миссис Дрейпер Пикерингу 11 марта 1888 года, – она хочет преподавать химию или физику – и учится, имея в виду эту цель».

В детстве Антонию Мори пускали в химическую лабораторию дяди Генри в его большом доме в Нью-Йорке, где она «ассистировала» ему, подавая нужные для опытов пробирки. Девочке не было еще и десяти лет, когда ее отец, преподобный доктор Миттон Мори, странствующий проповедник епископальной церкви, научил Антонию читать Вергилия на латыни. Ее мать Вирджиния, сестра Генри Дрейпера, была натуралисткой, влюбленной в каждую птичку, цветок, кустик и деревце имения в Гастингсе. Она умерла в 1885 году, когда Антония училась в Колледже Вассара.

Пикерингу было неудобно предлагать девушке с таким резюме, как у мисс Мори, обычное жалованье расчетчицы – 25 центов в час. Он ощутил что-то вроде облегчения, когда она не ответила на его письмо, но миссис Дрейпер ходатайствовала за нее весь апрель и май.