Нептун в наиболее удаленной точке своей орбиты находится на расстоянии 4,5 млрд. км (0,000476 светового года, или 4,17 светового часа) от Солнца.
Следующий серьезный успех астрономии XIX века связан с именем английского астронома Уильяма Хаггинса (1824–1910), проводившего масштабные исследования спектров звезд с целью определения их химического состава. Он доказал, что звезды состоят из тех же химических элементов, которые встречаются на Земле. Он также обнаружил углеводороды в составе комет. Но главное, в 1868 году Хаггинс стал первым, кто измерил лучевую скорость звезды (проекцию вектора скорости на луч зрения, то есть на прямую линию, соединяющую звезду с наблюдателем), предположив, что наблюдаемое смещение спектральных линий происходит из-за эффекта Доплера.
В 1842 году Кристиан Андреас Доплер (1803–1853) доказал, что длина волны изменяется при перемещении источника излучения относительно наблюдателя (приближении к нему или отдалении от него). Таким образом, если звезда удаляется от нас, видимый свет от нее будет сдвигаться в красную (длинноволновую) сторону спектра, а если приближается — в синюю (коротковолновую). На основе числового значения изменения частоты астроном может рассчитать лучевую скорость. К примеру, красное смещение определяется по формуле z = 1 + Δλ/λ, где Δλ/λ — относительное изменение длины волны. Тогда лучевая скорость будет равна v = zc, где с — скорость света, для v << с. Точная формула, применимая для всех скоростей, намного сложнее и выводится из специальной теории относительности.
Как мы увидим в дальнейшем, открытие сдвига спектральных линий астрономических объектов имело серьезные последствия в XX веке, когда ученые обнаружили, что большинство галактик удаляются от нас, а степень их красного смещения указывает на расстояние до них. В результате удалось определить, что наша Вселенная во много раз больше, чем то расстояние до звезд в пару-тройку световых лет, которое удалось измерить с помощью звездного параллакса.
А пока астрономы XIX века осознавали размеры Вселенной, их современники-физики обдумывали проблемы возраста Солнца и Земли. В 1863 году британский физик Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824–1907), оценил возраст Земли, исходя из предположения, что она изначально находилась в расплавленном состоянии, постепенно затвердев по мере остывания. В результате у него получился срок 20 млн. лет. В 1856 году немецкий физик Герман фон Гельмгольц, сформулировавший закон сохранения энергии, занялся анализом возраста Солнца и предположил, что оно черпает энергию из гравитационного сжатия. Таким образом, энергия излучаемого света высвобождается при снижении потенциальной энергии Солнца. Пользуясь подходом Гельмгольца, в 1862 году Кельвин сделал вывод, что Солнце не может быть старше 20 млн. лет. Это были очень приблизительные подсчеты, и тот факт, что Кельвин получил один и тот же результат, используя два разных метода, говорит о том, что он наверняка в чем-то сжульничал. Однако метод расчета возраста Солнца заслуживал большего доверия{86}.
Так или иначе, обе эти оценки представляли большую проблему для теории эволюции путем естественного отбора, выдвинутой совместно Чарльзом Дарвином (1809–1882) и Альфредом Расселом Уоллесом (1823–1913) в 1858 году. Временные масштабы эволюции составляют не менее 100 млн. лет. Это несоответствие беспокоило и самого Дарвина, который считал его самой серьезной угрозой своей теории.
Со своей стороны, геологи поддерживали эволюционную гипотезу, оценивая возраст Земли примерно в 2 млрд. лет. Эти разногласия были разрешены только в начале XX века с открытием реакции термоядерного синтеза, благодаря которой Солнце будет светить еще 5 млрд. лет или даже больше. Возраст Земли в настоящее время определен довольно точно с помощью метода радиоизотопного датирования, он составляет 4,54 млрд. лет с возможной погрешностью 1%.
Тем временем наблюдательная астрономия продолжала развиваться. В 1888 году американский астроном Джеймс Килер (1857–1900) использовал гигантский 36-дюймовый телескоп-рефрактор (телескоп на основе линзы), установленный в Ликской обсерватории на горе Гамильтон, штат Калифорния, для наблюдения промежутков между кольцами Сатурна.
На меньшем склоне Килер установил 36-дюймовый телескоп-рефлектор. В то время ньютоновские зеркальные телескопы только начали появляться в горных обсерваториях. Следствием этого стал значительный рост возможностей, в особенности в области спектроскопии, которая с устранением сферической аберрации, характерной для телескопов на основе линзы, шагнула далеко вперед.