Покинув Табору в середине декабря, экспедиция вышла к текущей на запад, в Танганьику, реке Малагараси и далее следовала вдоль нее с незначительными отклонениями вплоть до самого озера. Английские исследователи добрались до него буквально еле живыми. 13 февраля 1858 года Бёртон первым из европейцев бросил взгляд на «обширное пространство светлейшей и нежнейшей голубизны», лежащее «в лоне гор». Стаи уток, цапель, бакланов и пеликанов гнездились у берега, густо поросшего тростником. На севере и на юге водная гладь уходила за горизонт, ширина же озера оказалась гораздо меньше той, какую приписывали ему миссионеры: с того места, где находился Бёртон, была отчетливо видна горная стена на противоположной, западной его стороне.
Путешественники остановились в Кавеле (Уджиджи) и после кратковременного отдыха, не без труда достав лодки, приступили к исследованию Танганьики. В первое плавание по озеру пустился один Спик, к тому времени уже немного окрепший, тогда как Бёртон был еще слишком слаб для такой поездки. Обследовав небольшой участок восточного берега Танганьики к югу от Кавеле, Спик пересек озеро и побывал на расположенном у его западного берега острове Касенге.
Здесь ему рассказали, что у южной оконечности озера в него впадает большая река Марунгу, на севере же из Танганьики вытекает другая «очень большая река» – Рузизи. Река с таким названием в действительности не существует, но есть нагорье Марунгу, обрамляющее впадину Танганьики с юго-запада. Сведения о наличии стока у Танганьики в северном направлении Спик воспринял скептически, так как они противоречили уже сложившемуся у него на основании других рассказов представлению, что в той стороне озеро ограничено высокими горами. Последние он нанес на карту в виде подковообразного хребта, замыкающего озерную котловину с севера, причем полагал, что это и есть «Лунные горы» древних.
Бёртона сильно заинтересовало сообщение о реке Рузизи, якобы вытекающей из озера на севере: у него зародилась мысль, что это и есть Нил (в существование гипотетических «Лунных гор» Спика он не верил). Для проверки полученных сведений англичане отправились в новое плавание, теперь уже вдвоем. Миновав далеко выступающий в озеро полуостров Убвари (принятый ими за остров), они прибыли в конце апреля в деревню Увира близ северной оконечности Танганьики. Тут все надежды Бёртона найти исток Нила рухнули. «Мне нанесли визит, – рассказывает он, – три рослых сына султана (то есть местного вождя)… Сразу же был затронут вопрос о таинственной реке, вытекающей из озера. Все они заявили, что бывали на ней, предлагали проводить и меня, но единодушно утверждали – и вся толпа присутствующих подтвердила их слова, – что “Рузизи” впадает в Танганьику, а не вытекает из нее. На сердце у меня стало тоскливо».
Никаких оснований сомневаться в словах африканцев, которые, действительно, полностью соответствовали истине, у Бёртона не было, и Рузизи сразу утратила для него всякий интерес. Так и не побывав на этой реке, путешественники вернулись в середине мая в Кавеле и в конце того же месяца двинулись в обратный путь.
Английские исследователи повидали только северную, меньшую часть Танганьики, общее же представление о размерах и конфигурации озера составили главным образом по рассказам арабских купцов. Основываясь на этих данных, Бёртон оценивал длину озера менее чем в 460 километров (в действительности около 650 километров). Полученная Спиком цифра высоты озера над уровнем моря – немногим более 560 метров – была значительно меньше истинной (средняя отметка уровня Танганьики в настоящее время – 774 метра, в конце же 50-х годов прошлого века уровень озера располагался выше, на отметке порядка 780 метров); эта ошибка объяснялась, по-видимому, неисправностью экспедиционного гипсотермометра. Глубину озера путешественники не измеряли из-за отсутствия у них лотлиня, но, учитывая общие особенности морфологии озерной котловины, а также некоторые технические детали местного рыболовного промысла, пришли к правильному выводу о том, что она должна быть очень большой (хотя, конечно, не подозревали, что это озеро – второе по глубине на земном шаре после Байкала).
Открытие Танганьики явилось в то же время первым знакомством европейцев с Западным рифтом, или Центрально-африканским грабеном – западной ветвью Восточно-африканской рифтовой системы. Вопрос о стоке Танганьики остался неразрешенным; Бёртон не исключал возможности, что это озеро бессточное. Путешественники слышали также о расположенном к юго-востоку от Танганьики, между ней и Ньясой, еще одном озере – Руква.
На обратном пути, в Таборе, экспедиция задержалась из-за болезни Бёртона, который слег с очередным приступом малярии. Спику удалось убедить своего начальника отпустить его в самостоятельный маршрут: он отправился на поиски озера Ньянза, или Укереве, находящегося по рассказам арабов севернее Танганьики. Спик вышел к нему 30 июля 1858 года неподалеку от Мванзы. Местное название озера – Ньянза, то есть «большая вода», – было в сущности именем нарицательным, обозначающим всякий крупный водоем. Спик добавил к нему имя английской королевы. Так на карте появилось название Виктория-Ньянза (ныне просто Виктория). «Я больше не сомневался, что из озера, плещущегося у моих ног, берет начало та самая река, истоки которой породили столько слухов и стали целью стольких исследователей» (то есть Нил), – писал Спик.
Ожидавший Спика в Таборе Бёртон встретил его восторженный рассказ о новом открытии весьма прохладно. Гипотезу о связи Виктории-Ньянзы с Нилом он сразу же отверг. Он явно не хотел, чтобы найденная не им, а Спиком Виктория-Ньянза оказалась местом зарождения Нила, прекрасно понимая, что его более удачливый спутник вовсе не собирается делить с ним славу этого открытия.
На берег Индийского океана путешественники вернулись – большей частью прежней дорогой – 3 февраля 1859 года. Спик прибыл в Англию раньше Бёртона и вскоре уже делал в Королевском географическом обществе доклад, основное место в котором уделил, конечно, открытию Виктории-Ньянзы. Доклад вызвал шумную сенсацию, Спик стал героем дня, фигура же Бёртона отошла на задний план, по крайней мере в глазах широкой публики.
Вне зависимости оттого, какая доля славы досталась Спику и какая – Бёртону, научные результаты их экспедиции были очень велики. Карта Восточной Африки, строившаяся до сих пор на основании лишь расспросных данных и домыслов, была заполнена теперь множеством новых географических объектов, местоположение которых было достаточно точно установлено астрономическими наблюдениями. Особенно важно, разумеется, то, что место единого «озера Ньяса» Кули и «озера Уньямвези» немецких миссионеров заняли три самостоятельных больших озера. На двух из них английские исследователи побывали лично (на Танганьике – вдвоем, на Виктории-Ньянзе – один Спик), и только третье, Ньяса, оставалось известным лишь понаслышке, но недолго: в сентябре 1859 года его посетил Ливингстон. Составленный Бёртоном фундаментальный научный отчет экспедиции, занявший весь объем «Журнала Королевского географического общества» за 1859 год, и его двухтомная книга «Озерные области Центральной Африки», вышедшая в свет в Лондоне в следующем году, явились ценнейшим вкладом в географическую литературу, открыв перед читателем широкую картину природы и населения огромной территории, о которой до того по существу не было известно ничего достоверного. Позднее Спик дополнил эти работы Бёртона своей книгой «Что привело к открытию истока Нила» (Эдинбург – Лондон, 1864), включившей описание и их предыдущего совместного путешествия в Сомали. По материалам начального, «берегового» этапа работ восточно-африканской экспедиции 1856–1859 годов Бёртон подготовил еще один двухтомный труд – «Занзибар: город, остров и побережье» (Лондон, 1872).