Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса
Шрифт:
Подготовка декораций
Между тем у нас, в нашем эволюционирующем пространстве- времени, есть и свои вопросы. Бесконечна ли наша Вселенная в пространственной протяженности, или у нее есть реальный размер, который примерно 13,8 млрд лет назад начал развиваться из ультрамикроскопического источника и достиг того, что мы видим сегодня? Поскольку возраст нашей Вселенной конечен, та ее часть, которую мы можем воспринять, ограничена. Всему, что превышает этот пространственно-временной радиус, не хватило бы времени, чтобы его свет достиг нас. Поэтому считается, что наш предельный горизонт (обычно выражаемый как предельное аберрационное время) имеет радиус, эквивалентный 13,8 млрд лет распространения света. И именно потому, что мы не видим ничего за пределами этого радиуса, наше ночное небо, по сути,
ЧТО ТАКОЕ АБЕРРАЦИОННОЕ ВРЕМЯ?
Поскольку свет распространяется с конечной скоростью, равной 300 000 км/с, ему требуется время на то, чтобы дойти до нас от своего источника. Это время и называется аберрационным. Например, Луну, до которой от нас 384 000 км, мы видим такой, какой она отражала солнечный свет 1,28 секунды тому назад; следовательно, ее аберрационное время составляет 1,28 секунды. А Солнце, до которого 150 млн км, мы видим таким, каким оно бурлило и испускало свет 8,33 минуты назад, и его аберрационное время — 8,33 минуты. Вот несколько примеров такого времени, которые стоит принять во внимание:
Сатурн — 1,1 часа при максимальном сближении с Землей Плутон — 6,9 часа при максимальном сближении с Землей ? Центавра — 4,2 года
Вега — 25 лет
Полярная звезда — 434 года
Туманность Ориона — 1500 лет
Галактический центр — 27 000 лет
Галактика Андромеды — 2,5 млн лет
Ближайший квазар — 3С 273 (2,4 млрд лет)
Самая дальняя обнаруженная галактика — GN-z11 (13,4 млрд лет)
Измерять метрические расстояния за пределами галактики Андромеды и Местной группы гораздо сложнее: этому препятствует расширение Вселенной. Например, расстояние до той или иной галактики в то мгновение, когда из нее был испущен свет, в конечном итоге оказывается намного меньше расстояния до нее в тот момент, когда нам удается ее обнаружить. Поэтому оценивать космические расстояния лучше в аберрационном времени — оно лучше всего учитывает расширение и дает нам единую меру расстояния до объекта в пределах расширяющегося космоса. Возможно, это вас удивит, но с помощью «Хаббла» и крупнейших наземных телескопов астрономы нашли галактики, для света которых характерно такое красное смещение, что он, по всей вероятности, излучался, когда видимая Вселенная была в 10 с лишним раз компактнее, а значит, насчитывала всего несколько сотен миллионов лет. То, что доступно нашему взгляду из тех изначальных времен, во многом резко отличается от того, что мы наблюдаем в текущей Вселенной, причем галактики ранней эпохи кажутся намного меньше и массивнее, чем их современные аналоги.
В последующих главах мы будем говорить о той части Вселенной, которая доступна нашему наблюдению, поскольку она располагается в пределах светового радиуса, установленного возрастом Вселенной в 13,8 млрд лет. Однако это пространственное ограничение не помешает нам исследовать всю историю космоса и мы сможем пронаблюдать — по крайней мере в принципе — все основополагающие стадии от Большого взрыва до эпохи рекомбинации, образования первых галактик, звезд и планет.
Происхождение космоса
Утверждение, согласно которому у Вселенной было начало, на самом деле звучит невероятно странно и необъяснимо. Впрочем, это не мешало людям придумывать истории о происхождении космоса, ставшие неотъемлемой частью их культурной идентичности. И более того, в разных культурах, возникших задолго до появления письменности, очень много преданий о возникновении мира. Пожалуй, из существ, живущих на Земле, только нам, людям, нужно объяснить наше собственное существование в свете происхождения и эволюции большой Вселенной.
Я помню времена, когда астрономы все еще не могли с уверенностью сказать, действительно ли у Вселенной было начало. В 1960-х годах за первенство соперничали две космологические теории. Одна из них называлась теорией стационарной Вселенной. В 1940-х и 1950-х годах ее отстаивали сэр Фред Хойл и его коллеги. Эта теория признавала расширение космоса, открытое Эдвином Хабблом в 1929 году, но допускала появление новой материи для заполнения пустот (войдов) и гласила, что Вселенная остается по существу неизменной во всем пространстве-времени. Так ученым удавалось придерживаться популярного представления об однородности — так называемого идеального космологического принципа. Никакое место или время не играло особой роли, в том числе и наше время на Земле.
Другая теория, которую в 1940-х и 1950-х годах впервые изложил в общедоступной форме Георгий Гамов, постулировала противоположную картину. Согласно ей, наша Вселенная расширялась, истончалась и охлаждалась после эпохи невероятно высокой плотности и температуры, завершившейся несколько миллиардов лет назад. Эта теория Большого взрыва также учитывала скорость расширения, количественно определяемую постоянной Хаббла (Ho), но переворачивала ее, тем самым возвращая расширение к его горячему началу. Минувшее с того момента хаббловское время (Т = 1/Ho), рассчитанное в соответствии с наилучшими оценками постоянной Хаббла, доступными на тот момент, варьировалось от 10 до 20 млрд лет. С более короткими временными рамками были свои сложности, поскольку возраст некоторых шаровых звездных скоплений, по всей видимости, превышал этот жесткий предел. Как звездное скопление могло быть старше Вселенной, которая его породила? Обе теории привлекали сторонников вплоть до 1964 года, когда был открыт космический микроволновый фон, также называемый реликтовым излучением.
Это стало неопровержимым свидетельством, подтвердившим, что ранняя Вселенная радикально отличалась от той, которую мы видим сегодня. Еще в 1940-х годах физики предсказали, что это остаточное излучение должно было сохраниться от горячего зарождения Вселенной. Они также признавали, что в результате расширения Вселенной длины волн излучения должны были бы растянуться — иными словами, тому, что начиналось как оранжевое свечение ионизированной плазмы при температуре в несколько тысяч градусов, со временем предстояло превратиться в слабое микроволновое «шипение» при очень низкой температуре, всего на несколько градусов превышающей величину абсолютного нуля. Именно его обнаружили Арно Пензиас и Роберт Вильсон, работая с 15-метровой рупорной антенной в городке Холмдейл, штат Нью-Джерси, на вершине холма Кроуфорд-Хилл. Пензиас и Вильсон, ученые из лаборатории Белла, тестировали антенну для нужд спутниковой связи и немного занимались радиоастрономией. Сначала они подумали, что сигнал — это шум, исходящий от какой-то части устройства, и только устранив все возможные источники шума, в том числе и птичий помет внутри антенны, они пришли к выводу, что сигнал исходил из космоса. Это «фоновое» излучение, охватывающее все небо, с тех пор было признано остаточным свечением от Большого взрыва — так свершилось удивительное открытие, которое принесло Пензиасу и Вильсону Нобелевскую премию по физике 1978 года.
С момента открытия космический микроволновый фон измеряли и описывали все точнее. Его спектр соответствует спектру идеального теплового излучателя (черного тела) при эквивалентной температуре 2,725 К (рис. 9.1). Астрофизики считают, что это излучение наиболее соответствует Вселенной, которая с тех пор, за 13,8 млрд лет, расширилась в 1100 раз. То, что находят наши детекторы — это излучение вещества, которое лишь недавно остыло из состояния ионизированной плазмы и перешло в нейтральное атомное состояние. В ту критически важную эпоху рекомбинации, наступившую всего через 380 000 лет после Большого взрыва, Вселенная стала прозрачной для собственного излучения, и фотоны получили возможность свободно преодолевать пространство, благодаря чему наши приборы теперь могут их обнаруживать. Наиболее точная оценка постоянной Хаббла (72 [км/с]/Мпк), соответствующее хаббловское время (13,6 млрд лет) и соответственно более юный возраст старейших шаровых скоплений (12,7 млрд лет) прекрасно согласуются с возрастом Вселенной в 13,8 млрд лет, рассчитанным на основе космического микроволнового фона, — и это убеждает астрофизиков в том, что они на правильном пути.