Почему небо темное. Как устроена Вселенная

Решетников Владимир Петрович

Самые слабые из галактик в HDF-N имеют видимую звездную величину ~ 29m, то есть они более, чем в миллиард раз тусклее самых слабых звезд, доступных человеческому глазу. При увеличении любого из фрагментов HDF-N в кажущейся пустоте между яркими объектами появляются более слабые (см. правую часть рис. 45). В итоге, если посчитать, сколько галактик приходится на единицу площади в глубоких полях, подобных HDF-N, то оказывается, что каждый квадрат небесной сферы со стороной 2''–3'' содержит галактику.

Рис. 45. Слева: участок неба размером 0.°5 x 0.°5 в области созвездия Большая Медведица. Многоугольником указана область Северного глубокого поля космического телескопа «Хаббл» (HDF-N). В центре: репродукция HDF-N (размер изображения — 2.’7 x 2.’7). Справа: фрагмент изображения HDF-N размером 25'' x 29''.

Из

приведенного примера становится понятно, что фон ночного неба складывается из свечения слабых звезд нашей Галактики и из излучения далеких галактик. Кроме того, на наблюдаемый фон ночного неба очень сильно влияет атмосфера Земли — она сама по себе немножко светится из-за фотохимических процессов в ее верхних слоях. Заметный вклад в наблюдаемый фон дает и межпланетная пыль, подсвечиваемая Солнцем — зодиакальный свет, и межзвездная пыль, подсвечиваемая звездами Галактики. Есть и другие факторы, влияющие на фон неба, но их вклад менее значителен.

Суммарный фон ночного неба при наблюдениях с Земли довольно ярок, хотя и уступает примерно в 10 миллионов раз яркости дневного неба. Например, на высокогорных обсерваториях, удаленных от яркой подсветки городов и находящихся выше приземного слоя воздуха, одна квадратная секунда безлунного ночного неба в зените светит в видимом диапазоне примерно как звезда 22 звездной величины. Один квадратный градус неба светит уже как звезда 4m (такая звезда уже легко различима глазом), а вся полусфера ночного неба излучает как объект –6m или –7m. Это означает, что ночное небо как целое светит ярче любой звезды или планеты, и уступает лишь Солнцу и Луне!

Вклад разных факторов в итоговую яркость ночного неба варьируется со временем (например, свечение атмосферы усиливается в периоды максимума солнечной активности) и в зависимости от положения относительно плоскостей Солнечной системы и Галактики. В оптическом диапазоне этот вклад в среднем выглядит примерно так [35] :

свечение атмосферы — 145 N 10,

зодиакальный свет — 60 N 10,

интегральный свет слабых звезд Галактики — < 5 N 10,

35

1 10 — одна звезда 10-й звездной величины на квадратный градус.

свет звезд, рассеиваемый межзвездной пылью, — 10 N 10,

диффузное излучение внегалактических объектов ~ 1 N 10.

Итак, оказывается, что оценить реальный фон ночного неба, создаваемый далекими внегалактическими объектами, совсем непросто. Этот фон заслоняется «передним планом» — земной атмосферой, межпланетной и межзвездной средой, звездами Млечного Пути. Если учесть все эти помехи, то остающийся внегалактический фон выглядит примерно так, как показано на рис. 46. Природа этого фонового свечения в разных спектральных диапазонах сильно отличается. В области самых высоких энергий источник фона не вполне ясен, хотя заметный вклад в него, по-видимому, должно вносить излучение активных ядер галактик (квазаров, блазаров и др.). В оптическом и инфракрасном диапазонах фоновое излучение — это интегральный свет звезд и пыли, нагретой молодыми звездами, от галактик на разных красных смещениях. В миллиметровом диапазоне, как видно на рис. 46, доминирует вклад реликтового излучения (раздел 2.4). В радиодиапазоне за фон, по-видимому, отвечают радиоисточники — радиогалактики, радиоизлучающие квазары и другие подобные объекты.

Рис. 46. Интенсивность космического фонового излучения в разных спектральных диапазонах. Вдоль нижней горизонтальной оси отложена длина волны излучения в микронах, вдоль верхней — соответствующие энергии квантов в электронвольтах.

Итак, внегалактическое фоновое излучение — это дошедший до нас интегральный свет от всех звезд, галактик и активных ядер галактик, родившихся и эволюционирующих во Вселенной. Поэтому анализ этого излучения может дать информацию об истории звездообразования во Вселенной и даже о ее возрасте.

Рассмотрим простой случай. Пусть мы находимся в центре сферы, равномерно заполненной светящимся веществом (звездами и галактиками) и пусть радиус этой сферы равен R, а плотность светимости вещества — L (r) = L₀. Тогда наблюдаемая освещенность, создаваемая всем излучением от нас и до границы сферы, может быть найдена суммированием от r = 0 до r = R : Q = ct₀L₀ , где R = ct₀ , с — скорость света, a t₀ — возраст нашей модельной Вселенной. Из этого выражения сразу видно, что величина фонового излучения (Q) определяется временем, в течение которого светили звезды и галактики, то есть, в конечном счете, возрастом Вселенной.

Чему равны значения Q и L₀ в нашей Вселенной? Q — это поток энергии, проходящий за единицу времени через единицу площади от всех излучающих источников. Q может быть найдено суммированием фонового излучения по всем длинам волн. По современным данным Q ~ (5^–10) x 10^{– 4} эрг/с·см²). Среднюю плотность светимости L₀ можно грубо оценить, используя в качестве своего рода стандарта энерговыделения наше Солнце. Интегральная светимость Солнца L_o = 4x10³³ эрг/с, масса M_o=2x10³³ г и, следовательно, энерговыделение единицы массы Солнца: е_o = L_o/ M_o = 2 эрг/с·г). Плотность «светящегося» вещества Вселенной составляет примерно 0.003 c = 3 x 10^{– 32} г/см³ (0,3 % критической плотности, см. раздел 2.5 предыдущей главы). Умножаем плотность на еo и получаем следующую оценку плотности светимости: L₀ ~ 6 x 10^{– 32} эрг/с·см³). Подставляем эти значения в формулу для Q и получаем оценку времени, в течение которого должны были излучать звезды и галактики для того, чтобы обеспечить наблюдаемую яркость ночного неба, — t₀ = Q/ (c x L₀) ~ 10–20 млрд лет. Замечательный результат! Яркость ночного неба не только говорит нам о том, что был Большой взрыв, то есть было некое событие, приведшее к появлению звезд и галактик, но и о том, когда он произошел.

Предыдущие рассуждения и оценки были, конечно, очень грубыми. Кроме того, они касались лишь интегральной, просуммированной по всем длинам волн, яркости фона. Более детальное рассмотрение фона в разных спектральных диапазонах — от гамма-излучения до радиодиапазона (рис. 46) — позволяет получить гораздо больше информации о Вселенной и о населяющих ее объектах.

Рассмотрим теперь более реалистичный подход, учитывающий, в частности, расширение Вселенной. Расширение приводит к увеличению длины волны фотонов и, следовательно, к уменьшению их энергии. Так может расширение Вселенной само по себе способно решить фотометрический парадокс? Это предположение было высказано в середине XX века английским космологом Германом Бонди, которому, кстати, принадлежит и не вполне удачное название «парадокс Ольберса».

Бонди совместно с Голдом в 1948 году предложил собственную космологическую модель. (Сходную модель практически одновременно рассмотрел Фред Хойл и поэтому теорию стационарной Вселенной называют также теорией Бонди, Голда и Хойла.) Модель стационарной Вселенной выглядит довольно привлекательно — Вселенная вечна, бесконечна и находится в состоянии непрерывного расширения, то есть в ней выполняется закон Хаббла. Вместо космологического принципа, лежащего в основе космологии Фридмана, теория стационарной Вселенной опирается на совершенный космологический принцип — Вселенная не только однородна и изотропна, но и одинакова во все моменты времени. Для того, чтобы согласовать расширение Вселенной с ее постоянной плотностью, в модели Бонди и др. пришлось допустить непрерывное рождение вещества. Темп этого рождения очень невелик — требуется появление лишь одного атома водорода в год в кубе со стороной полтора километра. Спонтанное рождение вещества — вещь, конечно, странная, но в космологии много необычного. Важнее то, что стационарная космологическая модель давала четкие предсказания, которые можно было проверить наблюдениями — например, она предсказывает вполне определенную зависимость между расстоянием и красным смещением. Именно наблюдения, в первую очередь, реликтового излучения, в конечном итоге и опровергли модель Бонди и др.