Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

Потупа Александр

В отличие от Лемэтра, считавшего, что в сверхплотном «космическом яйце» после Большого Взрыва должны были преобладать ядра тяжелых элементов, Гамов развил концепцию ядерной эволюции — от легчайшего водорода к гелию и более тяжелым элементам. Такая точка зрения гораздо лучше согласовывалась с наблюдаемым в космосе относительным обилием легких ядер. В ранние моменты после Первовзрыва вещество, согласно Гамову, имеет очень высокую температуру, так что сложные атомные ядра могут образовываться лишь на поздних этапах и в весьма специфических условиях.

Важнейшим следствием модели Гамова стало предсказание так называемого реликтового излучения. Идея сводилась примерно к следующему — в очень ранней Вселенной основную роль играл горячий газ световых квантов фотонов, активно взаимодействующих с веществом. По мере расширения Вселенной температура падала и, когда равновесие между веществом и излучением нарушилось, фотонный газ стал охлаждаться как относительно

самостоятельная система. Фотоны как бы краснели, и их характерная частота уменьшалась, сдвигаясь к левому краю спектра. К нашей эпохе этот газ должен был охладиться до нескольких градусов по шкале Кельвина. Реликтовым это излучение было названо потому, что оно представляет собой сохранившийся след очень ранней стадии формирования Вселенной. Подобно тому, как, принимая свет звезд, расположенных в миллионах и миллиардах световых лет, мы получаем информацию о процессах, происходивших миллионы и миллиарды лет назад, соответственно, регистрируя реликтовый сигнал, мы можем заглянуть в еще более раннее прошлое Вселенной.

Реликтовое излучение было обнаружено экспериментально английскими астрономами Пензиасом и Уилсоном, исследовавшими микроволновой фон (в диапазоне длин волн от сотых долей сантиметра до десятков сантиметров) на своем радиотелескопе в рамках программы спутниковой системы связи «Телестар».

Они наткнулись на мощные шумовые помехи, соответствующие температуре излучения порядка 3 К, и тщательный анализ аппаратуры показал, что шум с ней не связан и должен иметь внеземное происхождение.

Несколько раньше, в 1963 году, американский астроном Мартин Шмидт открыл самые далекие и, возможно, самые экзотические объекты Вселенной квазары [96] . Главная их наблюдательная особенность заключалась в огромном красном смещении, в несколько раз превышающем красные смещения самых удаленных галактик. Отсюда следовало, что квазары убегают с очень большими скоростями (близкими к скорости света) и находятся практически на предельно больших расстояниях, доступных наблюдению (до нескольких миллиардов парсеков). Таким образом, квазары оказались реликтом ранних эпох развития Вселенной и, в известном смысле, стали последним и самым тяжелым камнем преткновения для попыток сохранить более или менее стационарную картину. В течение нескольких лет после открытия выяснилось, что квазары обладают целым набором необычных свойств. Большинство из них весьма компактны и выглядят, как очень активные галактические ядра, занимая объем порядка Солнечной системы. Но при этом они излучают энергию не слабее больших галактик — светимость квазаров достигает 10³⁸– 10⁴⁰ Вт, что в сотни раз превышает светимость Галактики. Естественно полагать, что излучение такой колоссальной мощности у сравнительно небольших объектов возможно лишь в той фазе, когда обычные галактики еще не сформировались или находились на какой-то ранней стадии формирования. Иными словами, на границе наблюдаемой Вселенной обнаружилось явление, которое свойственно довольно раннему снимку Вселенной, и это нагляднейшее подтверждение ее эволюции.

96

Общепринятое сокращение от Quasistellar Radiosource — квазизвездный радиоисточник.

Крупнейшим достижением последних лет стало обнаружение огромных скрытых масс материи, скрытых в том смысле, что они пока недоступны обычным телескопическим наблюдениям.

Разумеется, идея о том, что во Вселенной могут существовать не только объекты, достаточно яркие для наших телескопов, отнюдь не нова. Фактически со времен открытия Урана и последовавшей затем Нептуновой истории астрономия вышла в своеобразный гравитационный диапазон, отыскивая небесные тела по их чисто гравитационному проявлению. Но вот при попытке оценить плотность массы в масштабе галактических скоплений и Вселенной в целом возник качественно новый уровень. Дело в том, что в соответствующих оценках мы долгое время были ограничены светящимися массами — именно по «плотности светимости» (средней светимости единицы объема пространства) обычно и оценивалась средняя плотность вещества. Однако группа эстонских астрономов под руководством Я. Э. Эйнасто и здесь — в предельно больших масштабах попыталась применить принципы гравитационной астрономии.

Исследователи из Тарту обратили внимание на то, что скорости отдельных галактик в скоплениях очень велики — тысячи километров в секунду, и, чтобы удержать столь быстрые компоненты, скопления должны обладать достаточно сильным полем тяготения, то есть массами порядка 10¹⁴– 10¹⁵ М). Но это на 1–2 порядка превышает суммарную массу светящихся галактик.

Было также установлено, что спутники больших галактик (типа Магеллановых Облаков — спутников нашей Галактики) движутся со скоростями, практически не зависящими от расстояния до центральной галактики — в очевидном противоречии с третьим законом Кеплера, согласно которому скорость спутника должна убывать с ростом расстояния до центра (v (1/vr). Это означало, что галактики-спутники находятся совсем в иной ситуации, чем, например, планеты в Солнечной системе — вещество галактической системы не сконцентрировано в центральном теле, а распределено по всему объему с плотностью, убывающей к краю ((~ 1/r²). В такой среде аналог третьего закона Кеплера действительно вел бы к независящим от расстояния скоростям спутников (центростремительное ускорение v²/r ~ GM/r² ~ G 1/2 r3/r² ~ const/r, т. е. v ~ const) или, что то же самое, к пропорциональности радиуса орбиты периоду обращения.

Эти факты и легли в основу представления о гигантских массах, полностью определяющих гравитационные проявления скоплений и отдельных галактик и в то же время слишком слабо светящихся, чтобы обнаружить их как обычное вещество. По-видимому, скрытые массы в среднем раз в 30 превышают массу всего светящегося вещества, то есть играют решающую роль не только в описании отдельных крупных структур, но и в оценке всего космологического процесса в целом.

Природу этих скрытых масс пытались объяснить многими гипотезами прежде всего, обилием темных выгоревших звезд типа черных карликов и черных дыр. Однако теперь, в связи с обнаружением массы нейтрино, более вероятной представляется именно нейтринная модель невидимой материи. Именно массивные реликтовые нейтрино способны конденсироваться в первичные облака — зародыши сверхскоплений, крупнейших структурных единиц Вселенной.

Вероятно, теперь следует считать, что каждая крупная галактика вместе со своими спутниками и скрытым веществом (так называемой короной) образует особую связанную систему — гипергалактику, а гипергалактики формируют скопление средним размером в несколько мегапарсеков, обладающее единой мощной короной.

Галактические скопления, в свою очередь, концентрируются в сверхскопления. И на этом иерархическом уровне, благодаря исследованиям группы Эйнасто и ряда других астрономов, открылось нечто неожиданное. Оказалось, что сверхскопления выглядят как своеобразная ячеистая структура — вроде пчелиных сот, сработанных несколько хаотично, или пористой, «пещеристой» ткани. Отдельные скопления выстраиваются в пересекающиеся цепочки, как бы формируют стенки ячеек толщиной в 3–4 Мпс, и, разумеется, самая высокая плотность достигается в узлах этой структуры. Размеры отдельной ячейки, которую теперь и называют сверхскоплением, порядка 100 Мпс, и внутри — вдали от стенок — она практически пуста. Надо полагать, что состав вещества в таких «внутриячейковых заповедниках» крайне близок к исходной водородно-гелиевой смеси, из которой некогда стали формироваться космические структуры.

На этом уровне иерархия космических структур, по-видимому, завершается — уже в масштабе 300 Мпс Вселенную можно с большой степенью точности считать однородной. И уже 1 Гигапарсек (1000 Мпс) — чисто космологический масштаб, в котором, по современным представлениям, можно пренебречь всеми эффектами структурности материи. Это следует считать экспериментально подтвержденным положением, ибо наличие следующего уровня структурной иерархии (в духе схемы Шарлье) привело бы к заметным изменениям в 3-градусном реликтовом излучении, изменениям, которые не наблюдаются.

Таковы в общих чертах этапы открытия современной космологической картины. На некоторых ее деталях мы подробно остановимся во II части книги. А теперь необходимо рассмотреть еще одну линию исследований, реально возникшую лишь во второй половине 20 века, но уже серьезно повлиявшую на наши взгляды.

Воплощенная мечта

История науки о Вселенной была бы не полна, не остановись мы на блестящем прорыве в космическое пространство, состоявшемся во второй половине 20 века. В идейном плане этот прорыв готовился давно, удивительно давно, и для нас, безусловно, интересны его истоки — все-таки приятно убедиться, что фантастика, некогда (и не так уж давно!) воспринимавшаяся как развлекательный вымысел, становится чем-то вполне реальным, свершенным, а потом — как бы само собой разумеющимся. Кроме того, появится прекрасная возможность еще раз, но под несколько иным углом зрения прокрутить ленту эволюции космических представлений.

Наши далекие предки довольно активно размышляли не только о строении неба, но и о небесных путешествиях. Подобно тому, как образ вещи склеивался в древнейших представлениях с операциями по ее изготовлению, образ той или иной области — земной или небесной — склеивался с «операцией путешествия», со средствами достижения интересующего и, разумеется, с целью такого достижения. В иные эпохи связь между землей и небом не воспринималась как нечто недоступное, скорее, это была естественная, пусть трудная, но вполне достижимая цель.