Космос
Шрифт:
Свет – это тоже волна. Только в отличие от звука он прекрасно распространяется в вакууме. Эффект Доплера действует и в отношении света. Если бы по какой-то причине вместо звука автомобиль испускал бы вперед и назад лучи чистого желтого света, то частота излучения немного увеличивалась бы, когда автомобиль приближался, и немного уменьшалась бы при его удалении. При обычных скоростях этот эффект совершенно незаметен. Однако разгонись автомобиль до скорости, составляющей заметную часть скорости света, мы увидели бы, как цвет огней приближающейся машины смещается в сторону высоких частот, то есть к синей части спектра, а удаляющейся – в сторону более низких частот, то есть к красному концу спектра. У объекта, приближающегося с очень высокой скоростью, цвета спектральных линий выглядят смещенными в голубую сторону. Спектральные линии объекта, уносящегося с очень высокой скоростью, испытывают красное смещение [185] . Красное смещение, наблюдаемое в спектрах далеких галактик и интерпретируемое как эффект Доплера, – это ключевой момент космологии.
185
Сам объект может быть любого цвета, даже голубого. Красное смещение выражается в том, что каждая спектральная линия выглядит так, будто имеет большую длину волны, чем в спектре покоящегося объекта; величина красного смещения пропорциональна длине волны спектральной линии, измеренной, когда объект находится в покое, и скорости его движения. – Авт.
В начале ХХ века строился крупнейший в мире телескоп, предназначенный для определения красных смещений далеких галактик. Строительство велось на горе Маунт-Вилсон, которая возвышалась над тогда еще чистым небом Лос-Анджелеса. Огромные детали телескопа приходилось затаскивать на вершину горы – делали это упряжки мулов. Молодой погонщик по имени Милтон Хьюмасон помогал доставлять на гору механическое и оптическое оборудование, а также ученых, инженеров и важных чинов. Он управлял колонной мулов, сидя верхом на лошади, а у него за спиной, положив передние лапы ему на плечи, все время стоял белый терьер. Хьюмасон был разнорабочим, из тех, что вечно жевали и сплевывали табак, картежником, завсегдатаем бильярдных и, как говорили в то время, дамским угодником. В школе он отучился всего восемь классов, но был сметлив, любознателен и очень заинтересовался оборудованием, которое с таким трудом переправлял на высоту. Хьюмасон водил компанию с дочерью одного из инженеров обсерватории, которому пришлась не по душе эта дружба с молодым человеком, чьи амбиции не шли дальше работы погонщиком мулов. Хьюмасон стал браться в обсерватории за любую работу: он служил помощником электрика, сторожем, мыл полы под куполом телескопа, в строительстве которого участвовал. Рассказывают, что однажды вечером ассистент, управлявший телескопом, заболел и Хьюмасона спросили, не сможет ли он заменить захворавшего. Милтон продемонстрировал такое мастерство и аккуратность в работе с инструментом, что вскоре стал постоянным оператором телескопа и помощником наблюдателей.
После Первой мировой войны на Маунт-Вилсон приехал Эдвин Хаббл, которому вскоре предстояло прославиться. Человек блестящий, светский, привыкший вращаться не только в кругу астрономов, говорящий с английским акцентом, который он приобрел в Оксфорде, где провел год как стипендиат Родса. Именно Хаббл окончательно доказал, что спиральные туманности в действительности являются «островными вселенными», далекими скоплениями огромного количества звезд, подобными нашему Млечному Пути; он придумал, где найти эталонную звездную свечу, необходимую для измерения расстояния до других галактик. Хаббл и Хьюмасон мастерски справились с задачей – эти двое хоть и казались странной парой, но с телескопом работали слаженно. Вслед за астрономом В. М. Слайфером из Лоуэлловской обсерватории они начали измерять спектры далеких галактик. Скоро стало ясно, что Хьюмасону удается получать высококачественные спектры галактик лучше, чем любому профессиональному астроному в мире. Он стал штатным сотрудником обсерватории Маунт-Вил-сон, изучил научную подоплеку своей работы и заслуженно пользовался уважением астрономического сообщества.
Свет галактики представляет собой совокупное излучение миллиардов составляющих ее звезд. Когда свет покидает звезду, некоторые частоты, то есть цвета, поглощаются атомами в ее внешних слоях. Образующиеся линии позволяют нам утверждать, что звезды в миллионах световых лет от нас состоят из тех же химических элементов, что наше Солнце и соседние звезды. К своему удивлению, Хьюмасон и Хаббл обнаружили, что спектры всех далеких галактик смещены в красную сторону, но что еще удивительнее – смещены тем больше, чем дальше от нас находится галактика.
Наиболее очевидным объяснением красного смещения был эффект Доплера: галактики удаляются от нас; чем дальше находится галактика, тем выше скорость ее удаления. Но почему галактики разбегаются именно от нас? Неужели есть что-то особенное в нашем местоположении во Вселенной, как будто Млечный Путь чем-то провинился перед сообществом галактик? По всей видимости, гораздо более вероятно, что сама Вселенная расширяется, унося с собой галактики. Хьюмасон и Хаббл, как со временем стало ясно, открыли Большой Взрыв – если не происхождение Вселенной, то, по крайней мере, ее последнее воплощение.
Практически все в современной космологии – особенно представление о расширяющейся Вселенной и Большом Взрыве – основано на идее, что красные смещения далеких галактик связаны с эффектом Доплера и вызваны удалением галактик от нас. Но в природе существуют и другие причины красного смещения, например гравитация: красное смещение наблюдается, когда свет, покидающий сильное гравитационное поле, с таким трудом преодолевает действие сил тяготения, что теряет входе движения энергию. Далеким наблюдателем это воcпринимается как смещение ускользнувшего из пут гравитации света в длинноволновую часть спектра, то есть в сторону красного цвета. Поскольку мы считаем, что в центрах некоторых галактик могут скрываться массивные черные дыры, это способно послужить вполне приемлемым объяснением красных смещений. Однако некоторые наблюдаемые спектральные линии нередко указывают на очень разреженный диффузный газ, а вовсе не на предельно высокую плотность, которая должна преобладать в окрестностях черных дыр. А может быть, красное смещение хотя и объясняется доплеровским эффектом, но вызвано не общим расширением Вселенной, а не столь масштабным местным галактическим взрывом. Но тогда нам следовало бы ожидать приближения такого же количества осколков взрыва, какое удаляется от нас, а значит, голубых смещений должно быть столько же, сколько красных. В действительности же, на какой бы объект за пределами Местной Группы мы ни направили телескоп, наблюдаются почти исключительно красные смещения.
Тем не менее некоторых астрономов преследует подозрение, что не все так гладко с выводом о расширении Вселенной, сделанным исходя из доплеровской природы красного смещения галактик. Астроном Халтон Арп обнаружил загадочные и настораживающие приметы того, как галактика и квазар или пара галактик, которые выглядели физически связанными, имели существенно различающиеся красные смещения. Иногда казалось, что их соединяет мост из газа, пыли и звезд. Если красное смещение вызвано расширением Вселенной, то из большой разницы красных смещений следует большая разница расстояний до галактик. Но две физически связанные галактики вряд ли могут быть столь сильно удалены друг от друга – в некоторых случаях на миллиарды световых лет. Скептики утверждают, что эти ассоциации имеют статистический характер, что, например, близкая к нам яркая галактика и намного более удаленный квазар с сильно различающимися красными смещениями и скоростями удаления лишь случайно оказались расположенными на одном луче зрения, а в действительности физически не связаны. Такие случайные наложения должны встречаться с некоторой вероятностью. В центре дебатов был вопрос, не превышает ли число таких совпадений величины, которой следовало бы ожидать по статистике. Арп указывает и на другие случаи, когда по бокам галактики с малым красным смещением располагаются два квазара с большим и почти одинаковым красным смещением. Он считает, что квазары не удалены на космологические расстояния, а выброшены в противоположные стороны той самой галактикой, с которой они соседствуют, и что красные смещения вызваны каким-то пока неизвестным механизмом. Скептики вновь говорят о случайном совпадении и традиционной интерпретации красного смещения по Хабблу– Хьюмасону. Если прав Арп, то отпадает необходимость изыскивать экзотические механизмы на роль источника энергии далеких квазаров – цепные реакции сверхновых, сверхмассивные черные дыры и т. п. Ведь квазарам в таком случае вовсе не обязательно быть далекими. Но зато понадобится другой необычный механизм для объяснения природы их красного смещения. В обоих случаях в глубинах космоса происходит нечто очень странное [186] .
186
Сегодня описанные случаи вполне убедительно объясняются механизмом гравитационного линзирования. Гравитационное поле галактики может искривлять траекторию лучей света, идущих от далекого квазара, вызывая появление нескольких изображений, линий, дуг и другие оптические эффекты. Гравитационные линзы способны концентрировать и тем самым усиливать свет очень далеких галактик. В результате рядом с умеренно удаленной галактикой-линзой появляется искаженное изображение галактики
Видимое удаление галактик при доплеровской интерпретации красного смещения – это не единственное доказательство Большого Взрыва. Независимым и очень убедительным подтверждением служит чернотельное фоновое космическое излучение – постоянный слабый фон радиоволн, приходящих к нам из космоса совершенно однородно со всех сторон. Интенсивность этого фона в точности такова, какой следует ожидать в нашу эпоху от заметно ослабшего излучения Большого Взрыва. Но и здесь есть нечто загадочное. Наблюдения с использованием чувствительной радиоантенны, поднятой в верхние слои атмосферы на борту самолета U-2, показали в первом приближении, что интенсивность фонового излучения соответствует почти идеально однородному расширению Вселенной в момент Большого Взрыва, то есть в миг своего рождения Вселенная обладала очень высокой степенью симметрии. Однако более точные исследования выявили, что симметрия фонового излучения неидеальна. В его распределении обнаруживается систематический эффект, который можно объяснить движением всего Млечного Пути (и предположительно других членов Местной Группы) в направлении скопления галактик в Деве со скоростью более двух миллионов километров в час (600 километров в секунду). С такой скоростью мы достигнем скопления через десять миллиардов лет, и тогда заниматься внегалактической астрономией станет намного проще. Скопление в Деве – это богатейшее собрание галактик, спиральных, эллиптических и неправильных, – настоящая небесная сокровищница. Но по какой причине мы так спешим к нему?
с большим красным смещением, создавая впечатление, что они находятся в физическом контакте друг с другом. После обнаружения гравитационных линз аргументов против доплеровской природы красного смещения квазаров практически не осталось. – Пер. Джордж Смут с коллегами, которые проводили эти высотные наблюдения, предполагают, что Млечный Путь гравитационно связан с центром скопления в Деве, что скопление содержит намного больше галактик, чем до сих пор обнаружено, и, что самое поразительное, имеет колоссальный размер, достигающий в поперечнике одного или двух миллиардов световых лет.
Вся наблюдаемая Вселенная имеет в поперечнике лишь несколько десятков миллиардов световых лет, и если существует такое гигантское сверхскопление в Деве, то, возможно, есть и другие сверхскопления на больших расстояниях, которые гораздо труднее обнаружить [187] . Времени существования Вселенной, видимо, недостаточно для того, чтобы первоначальные гравитационные неоднородности смогли сконцентрировать в себе такую массу вещества, которая, похоже, заключена в сверхскоплении Девы. Поэтому Смут склоняется к выводу о том, что Большой Взрыв был гораздо менее однородным, чем следует из его же собственных наблюдений, что первоначальное распределение материи во Вселенной было сильно неоднородным. (Некоторой неоднородности следовало ожидать; более того, она требовалась для объяснения конденсации галактик; однако неоднородность в таком большом масштабе стала неожиданностью.) Возможно, этот парадокс удастся разрешить, рассматривая два или более почти одновременных Больших Взрыва [188] .
187
К настоящему времени обнаружен целый ряд далеких сверхскоплений галактик. Группа эстонских астрономов под руководством Яана Эйнасто выявила, что в крупных масштабах Вселенная имеет ячеистую структуру, в узлах и ребрах которой как раз и располагаются сверхскопления галактик. – Пер.
188
Сегодня объяснение этой проблемы астрономы ищут в представлении о так называемой скрытой массе, или темной материи. Предполагается, что светящееся вещество, которое доступно нашему наблюдению, составляет лишь незначительную долю всей материи во Вселенной. Если скрытая масса действительно велика, то небольшие флуктуации плотности могут быстрее становиться крупными неоднородностями. В пользу существования скрытой массы говорит целый ряд исследований, проведенных в последние 10-20 лет. – Пер.