знали о Вселенной в конце XIX века. Было известно восемь планет, обращающихся вокруг Солнца. Астрономы открыли спутники и кольца планет, астероиды и кометы, но они не знали, как возникла Солнечная система. Ученые поняли, что Солнце – это всего лишь одна из миллиардов звезд, но не имели ни малейшего представления об источнике его энергии. Выдающиеся мыслители полагали, что солнечная энергия может быть результатом падения метеоритов или что наше пылающее светило медленно, но неуклонно сжимается и процесс этот сопровождается выделением энергии. Некоторые даже полагали, что на Солнце горит уголь.
Что касается всего, что находится за пределами Солнечной системы, то изучение этих объектов было на уровне коллекционирования марок. Данные в огромных каталогах ограничивались информацией о координатах, блеске, цвете и в отдельных случаях – расстояниях до звезд, и при этом было почти ничего не известно об их химическом составе, строении и эволюции – астрофизики тогда еще не существовало. И хотя благодаря упорству астрономов, которые вооружались все более крупными телескопами, были открыты тысячи тусклых и размытых «спиральных туманностей», похожих на знаменитую туманность Андромеды, истинная природа этих небесных объектов оставалась невыясненной. Некоторые считали их сравнительно близкими завихренными газовыми облаками, которые когда-нибудь сконденсируются в новые звезды. Другие полагали, что это огромные сборища звезд, удаленные от нас на миллионы световых лет.
Вот в такой Вселенной, в небольшой голландской деревне Барневелд 19 января 1851 года родился Якобус Каптейн2. Он был 10-м из 15 детей в семье сурового и набожного школьного учителя. Каптейн сначала учился в школе-пансионе для мальчиков у своих родителей, а потом поступил в Утрехтский университет, где изучал математику и физику. Он несколько лет проработал в Лейденской обсерватории – старейшей университетской обсерватории в мире, а в 1878 году получил должность профессора в Гронингене.
Каптейн внес важный вклад в астрономию, хотя в то время в Гронингенском университете не было обсерватории. Он получил мировую известность как создатель первого в мире фотографического обзора неба в сотрудничестве с шотландским астрономом Дэвидом Гиллом, который с помощью 15-сантиметрового телескопа Кейптаунской обсерватории в Южной Африке сделал сотни снимков южного неба на фотографических пластинках. Эти пластинки были пересланы в Гронинген, где Каптейн в течение пяти с половиной лет вручную тщательно измерял положения 454 875 изображений звезд. Основанный на этих измерениях фотографический Кейпский обзор (Cape Photographic Durchmusterung) был опубликован в трех томах с 1896 по 1900 год.
Работая над созданием обзора неба, Каптейн заинтересовался строением и динамикой того, что он назвал «система светил»: расположением всех этих звезд в трехмерном пространстве и их движением. А совместная работа с Гиллом убедила его в важности и пользе международного сотрудничества в астрономии, особенно для такой небольшой страны, как Нидерланды. С 1908-го по 1914-й Каптейн ежегодно проводил три месяца на расположенной вблизи Лос-Анджелеса обсерватории Маунт-Вилсон, директор которой – знаменитый американский астроном Джордж Эллери Хейл – построил Каптейн-коттедж специально, чтобы принимать там Якобуса Каптейна и его жену Элизу во время их длительных приездов. (Этот коттедж сохранился до наших дней, и его даже можно арендовать.)
Время было действительно потрясающее. В 1908 году завершилось строительство 60-дюймового телескопа обсерватории Маунт-Вилсон, и местный предприниматель Джон Д. Хукер выделил средства на создание 100-дюймового инструмента, который должен был впервые увидеть свет [6] в 1917 году. Обсерватория Маунт-Вилсон была астрономической Меккой, ее огромным телескопам было суждено раскрыть многие тайны Солнца, звезд и Вселенной.
А тайн хватало. Например, в 1912 году Весто Слайфер из обсератории Лоуэлла во Флагстаффе (штат Аризона) обнаружил, что большинство спиральных туманностей удаляются от нас с невероятно высокими скоростями, и никто не понимал почему. Быть может, 100-дюймовый телескоп наконец позволит выяснить истинную природу этих странных туманных вихрей?
После возвращения в Гронинген и затем уже в Лейдене Каптейн занялся дальнейшим развитием своих идей о Вселенной. Он заключил на основании исследования распределения звезд, что мы живем в более или менее линзовидной «агломерации» из почти 50 миллиардов звезд поперечником около 45 000 световых лет. И, как он считал, это все. За пределами этого сборища светил – нашей Галактики Млечный Путь – нет ничего, кроме пустого пространства. Он был твердо убежден, что таинственные спиральные туманности – всего лишь одни из обитателей этой «вселенной Каптейна». И теоретически не исключалась возможность существования и других, невидимых «обитателей» – темной материи.
Каптейн первым предложил картину Млечного Пути с оценкой его размеров и формы и роли темной материи. Сделал он это в свой знаменитой статье, опубликованной в The Astrophysical Journal в мае 1922 года. Каптейн скромно назвал ее «Первая попытка [создания] теории расположения и движения [объектов] звездной системы», но если задуматься, то попытка была далеко не скромная3. Человек, родившийся по астрономическим меркам всего мгновение назад на крохотной планете, обращающейся вокруг неприметной, заурядной звезды, пытается постичь строение всего сущего и всего, что когда-либо существовало. Очень неслабо.
Что касается темной материи, то Каптейн вслед за лордом Кельвином понял, что если изучить движения звезд и применить к ним закон всемирного тяготения Ньютона, то можно определить распределение массы в «звездной системе»4. Ведь гравитация – это великий хореограф, управляющий динамикой Вселенной. Но, согласно первым грубым оценкам, полученным Каптейном и британским астрономом Джеймсом Джинсом, силы тяготения одних лишь видимых звезд недостаточно для объяснения звездных движений. В многословном резюме своей 26-страничной статьи Каптейн это сформулировал следующим образом: «Можно полагать, что, когда теория будет усовершенствована, количество темной материи можно будет определить по ее гравитационному влиянию». А еще он написал в статье: «Значит, у нас есть способ оценки массы темной материи во Вселенной»5.
Да, способ есть. А вот точного ответа пока нет. Каптейн так и не успел усовершенствовать свою теорию. Он умер в Амстердаме в 71 год, через шесть месяцев после опубликования его эпохальной статьи.
Смерть всегда преждевременна, но в данном случае особенно печально, что старуха с косой не задержалась на десяток лет – особенно если вспомнить про огромное количество полученных в то время в астрономии результатов. Всего через 16 месяцев после кончины Каптейна Эдвин Хаббл (в честь которого назван знаменитый космический телескоп) установил, что спиральные туманности – это на самом деле «островные вселенные», то есть галактики, расположенные далеко за пределами Млечного Пути. Спустя шесть лет Милтон Хьюмансон и другие астрономы, в том числе Хаббл и бельгийский космолог Жорж Леметр, на основе полученных Слайфером данных исследовали скорости удаления от нас этих других галактик и пришли к выводу, что мы живем в расширяющейся Вселенной.
