Наша Галактика – Млечный Путь – принадлежит к так называемым Галактикам спирального типа (S – Галактики), представляющие собой вращающийся диск из водородного газа, пыли и звёзд с ярко выраженными спиральными рукавами (рис. 1.6). Это – сложный астрономический объект, состоящий из ядра, - утолщения в центральной части – балджа (от английского слова “buldge”), гало и собственно самого диска (рис. 1.7). В плотном ядре в центре диска находятся, в основном, старые звёзды и в нём нет газа и пыли. В сердце нашей Галактики находится чёрная дыра (О черных дырах прекрасно рассказано в книге А.М. Черепащука “Черные дыры”).
Недавно орбитальная рентгеновская обсерватория Chandrа зафиксировала мощную рентгеновскую вспышку в центре Галактики, что позволило определить размер чёрной дыры – не более расстояния от Земли до Солнца.
Диск Галактики заполнен газом, пылью и, в основном, молодыми звёздами. Поперечник диска имеет размер около 30000 парсек (Пк), балджа – 8000 Пк. В спиральных рукавах диска сосредоточены почти все звёзды и – большая часть газово-пылевой материи.
Диск окружен сферическим гало. Его размер на порядок превышает поперечный размер диска. В гало находятся редкие звёзды и скопления звёзд – кластеры, насчитывающие многие сотни тысяч звёзд. Кроме этого, в Гало есть тёмная материя (“dark matter”), которая была идентифицирована по гравитационным эффектам. Тёмная материя увеличивает массу Галактики, по крайней мере, в несколько раз.
Солнце – ближайшая к нам звезда – находится в спирали Ориона на расстоянии ~25000 Пк от центра нашей галактики. Солнце – относительно молодая звезда – ему 5 миллиардов лет. Млечный путь, по крайней мере, вдвое старше, чем Солнце: возраст звёздных кластеров может насчитывать 10 миллиардов лет.
Общее число звёзд в диске Галактике – 10 11 (сто миллиардов). Помимо звёзд Галактика включает и межзвёздную среду. Основным компонентом межзвёздной среды является межзвёздный газ, состоящий в основном (~90%) из водорода и межзвёздной пыли (~1%). В составе межзвёздной среды магнитные поля, электромагнитные излучения. Галактика вращается дифференциально: на периферии скорость её вращения меньше, чем в центральных областях. Период обращения нашей Солнечной системы вокруг центра Галактики составляет приблизительно 200 миллионов лет. Запомним эту цифру. Мы ещё к ней вернемся.
Средняя плотность межзвёздного вещества в диске оценивается как 10 -24 г/см 3 (грубо – 1 атом водорода на см 3). Существуют большие отклонения от этой величины: это – плотные облака, протяжённостью до десятков парсек с плотностями от 100 до 1000 атомов/см 3 .
Вещество, находящееся в Галактике в атомарном состоянии под действием ультрафиолетового излучения звёзд ионизируется (нейтральные атомы “теряют” свои электронные оболочки). Так, например, до 90% водорода составляют его ионы – протоны.
Масса всей Вселенной, а это – оптически яркие звёзды, межзвёздная пыль и газ, молекулярные облака, планеты, сосредоточена в протонах и нейтронах (85% приходится на протоны, а 15% на нейтроны). Нейтроны, будучи нестабильной частицей, существуют только внутри ядер. Всё это составляет так называемую барионную материю.

Обратимся теперь к проблеме о количественных соотношениях между различными формами материи в современной Вселенной. На рис. 1.8 дан ответ на этот вопрос. Ответ согласно уровню наших знаний на сегодня. Из диаграммы, приведённой на рис. 1.8, видно, что лишь несколько процентов (около 4 %) состава Вселенной относится к тому, из чего, как мы полагаем, образован наш мир. Это – барионная материя. Всё остальное, а это практически 96% - тёмная материя и тёмная энергия – пока малопонятные для нас материальные субстанции Вселенной. Мы знаем, что они определённо существуют. Но мы не знаем, что это такое. Мы только строим гипотезы и пытаемся поставить эксперименты, в надежде доказать их справедливость. Но факт остаётся – у нас пока нет аргументов в пользу окончательного выбора гипотезы, объясняющей состав тёмного вещества и тёмной энергии во Вселенной.
Тёмная энергия, согласно современным воззрениям, - это как раз та сила, которая заставляет Вселенную расширяться. Если привычная нам гравитация заставляет тела притягиваться друг к другу, то тёмная энергия – скорее антигравитация, способствующая разлёту тел во Вселенной. По-видимому, сразу после Большого взрыва расширение Вселенной происходило с замедлением, но после этого “тёмная энергия” преодолела гравитацию и вновь началось ускорение – расширение Вселенной. Это - не гипотеза, a экспериментальный факт, обнаруженный из излучения красного смещения - уменьшения яркости далёких сверхновых звёзд: они ярче, чем им следовало бы быть из картины замедления расширения Вселенной. Эффект “красного смещения” – регистрируемое наблюдателем увеличение длины волны спектра наблюдаемого источника (именно поэтому звезды кажутся ярче) – одно из замечательных экспериментальных астрономических фактов. Космологическое “красное смещение” наблюдаемых галактик было предсказано А. Эйнштейном и является по сей день одним из убедительных доказательств расширяющейся Вселенной.
Окунаясь в эпоху ранней космологии, можно вспомнить, что именно великий А.Эйнштейн, стараясь сохранить статичность Вселенной, ввёл, ставшей исторической, космологическую константу - уравновешивающую силы притяжения небесных тел. Но вслед за открытием “красного смещения” он вычеркнул константу из своих уравнений. Видимо, А. Эйнштейн был неправ, отказавшись от неё: Ведь – это есть та тёмная энергия, которая интригует современных астрофизиков.
Не ясно, повезло или нет человечеству, но оно живёт в период развития Вселенной, когда тёмная энергия преобладает, способствуя расширению. Но этот процесс, вероятно, не вечен и через временной отрезок, сопоставимый с возрастом Вселенной (10-20 миллиардов лет) история может повернуть вспять – наш мир начнёт сжиматься. Наступит или нет момент Большого Схлопывания – альтернативы Большого взрыва, безусловно, большой вопрос современной космологии.
Учёные сумели доказать существование расширяющейся Вселенной – это красное смещение оптического излучения Галактики и реликтовое электромагнитное излучение – реликтовые фотоны, о которые пойдёт речь ниже. Возможно, учёным удастся в будущем установить и существование “предвестников” надвигающегося сжатия Вселенной.
Другой экспериментальный факт – изучение отклонения света от далёких галактик в гравитационных полях Вселенной привёл астрофизиков к выводу о существовании скрытой – тёмной материи – где-то вблизи нас. Именно эта тёмная материя изменяет траектории световых лучей на большую величину, чем это следовало ожидать в присутствии лишь видимых близлежащих галактик. Учёные изучили распределение на звёздном небе более 50000 галактик в попытке построить пространственную модель структуры тёмной материи. Все полученные результаты неумолимо свидетельствуют в пользу её существования, причём Вселенная – это в основном и есть тёмная материя. Современные оценки говорят о величине около 80%. Здесь мы вновь повторим – нам неизвестно, из каких частиц состоит эта тёмная материи. Учёные лишь предполагают, что она состоит из двух частей: пока неизвестных каких-то экзотических массивных частиц и физического вакуума .
Мы ещё вернёмся к этой проблеме, а пока обратимся вновь к привычной для нас формы вещества, соcтоящей из барионов (протонов и нейтронов) и электронов – “барионной материи”. О ней мы знаем гораздо больше. Более чем за столетний период истории развития физики – от открытия элементарных частиц и строения атома до результатов исследований в этой области, а также в астрофизике, наука получила в своё распоряжение множество новых результатов о строении привычного нам вещества.

Даже астрономы не всегда правильно понимают расширение Вселенной. Раздувающийся воздушный шар – старая, но хорошая аналогия расширения Вселенной. Галактики, расположенные на поверхности шара, неподвижны, но поскольку Вселенная расширяется, расстояние между ними возрастает, а размеры самих галактик не увеличиваются.

В июле 1965 г. ученые объявили об открытии явных признаков расширения Вселенной из более горячего и плотного исходного состояния. Они нашли остывающее послесвечение Большого взрыва – реликтовое излучение. С этого момента расширение и охлаждение Вселенной легло в основу космологии. Космологическое расширение позволяет понять, как формировались простые структуры и как они постепенно развивались в сложные. Спустя 75 лет после открытия расширения Вселенной многие ученые не могут проникнуть в его истинный смысл. Джеймс Пиблз (James Peebles), космолог из Принстонского университета, изучающий реликтовое излучение, писал в 1993 г. : «Мне кажется, что даже специалисты не знают, каково значение и возможности модели горячего Большого взрыва».

Известные физики, авторы учебников по астрономии и популяризаторы науки порою дают неверную или искаженную трактовку расширения Вселенной, которое легло в основу модели Большого взрыва. Что же мы имеем в виду, когда говорим, что Вселенная расширяется? Несомненно, сбивает с толку то обстоятельство, что теперь говорят об ускорении расширения, и это ставит нас в тупик.

ОБЗОР: КОСМИЧЕСКОЕ НЕДОРАЗУМЕНИЕ

* Расширение Вселенной – одна из фундаментальных концепций современной науки – до сих пор получает различное толкование.

* Не следует воспринимать термин «Большой взрыв» буквально. Он не был бомбой, взорвавшейся в центре Вселенной. Это был взрыв самого пространства, который произошел повсеместно, подобно тому, как расширяется поверхность надуваемого воздушного шара.

* Понимание различия между расширением пространства и расширением в пространстве крайне важно для того, чтобы понять, каков размер Вселенной, скорость разбегания галактик, а также возможности астрономических наблюдений и природы ускорения расширения, которое, вероятно, испытывает Вселенная.

* Модель Большого взрыва описывает лишь то, что случилось после него.

Что такое расширение?

Когда расширяется что-нибудь привычное, например, влажное пятно или Римская империя, то они становятся больше, их границы раздвигаются, и они начинают занимать больший объем в пространстве. Но Вселенная, похоже, не имеет физических ограничений, и ей некуда двигаться. Расширение нашей Вселенной очень похоже на надувание воздушного шара. Расстояния до далеких галактик увеличиваются. Обычно астрономы говорят, что галактики удаляются или убегают от нас, но не перемещаются в пространстве, как осколки «бомбы Большого взрыва». В действительности расширяется пространство между нами и галактиками, хаотически движущимися внутри практически неподвижных скоплений. Реликтовое излучение заполняет Вселенную и служит системой отсчета, подобной резиновой поверхности воздушного шара, по отношению к которой движение и может быть измерено.

Находясь вне шара, мы видим, что расширение его искривленной двухмерной поверхности возможно только потому, что она находится в трехмерном пространстве. В третьем измерении располагается центр шара, а его поверхность расширяется в окружающий его объем. Исходя из этого, можно было бы заключить, что расширение нашего трехмерного мира требует наличия у пространства четвертого измерения. Но согласно общей теории относительности Эйнштейна, пространство динамично: оно может расширяться, сжиматься и изгибаться.

Дорожная пробка

Вселенная самодостаточна. Не требуются ни центр, чтобы расширяться от него, ни свободное пространство с внешней стороны (где бы она ни находилась), чтобы туда расширяться. Правда, некоторые новейшие теории, такие как теория струн, постулируют наличие дополнительных измерений, но при расширении нашей трехмерной Вселенной они не требуются.

В нашей Вселенной, как и на поверхности воздушного шара, каждый объект отдаляется от всех остальных. Таким образом, Большой взрыв не был взрывом в пространстве, а скорее это был взрыв самого пространства, который не произошел в определенном месте и затем не расширялся в окружающую пустоту. Это произошло всюду одновременно.

НА ЧТО БЫЛ ПОХОЖ БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ?

НЕВЕРНО : Вселенная родилась тогда, когда вещество, подобно бомбе, взорвалось в определенном месте. Давление было высоким в центре и низким в окружающей пустоте, что и вызвало разлет вещества.

ВЕРНО : Это был взрыв самого пространства, который привел вещество в движение. Наше пространство и время возникло в Большом взрыве и начало расширяться. Нигде не было центра, т.к. условия всюду были одинаковыми, никакого перепада давления, характерного для обычного взрыва, не было.

Если представить, что мы прокручиваем киноленту в обратном порядке, то увидим, как все области Вселенной сжимаются, а галактики сближаются, пока не столкнутся все вместе в Большом взрыве, как автомобили в дорожной пробке. Но сопоставление тут не полное. Если бы речь шла о происшествии, то вы могли бы объехать затор, услышав сообщения о нем по радио. Но Большой взрыв был катастрофой, которую невозможно избежать. Это похоже на то, как если бы поверхность Земли и все дороги на ней смялись, но автомобили оставались бы прежнего размера. В конце концов машины столкнулись бы, и никакое сообщение по радио не помогло бы предотвратить это. Так же и Большой взрыв: он произошел повсеместно, в отличие от взрыва бомбы, который происходит в определенной точке, а осколки разлетаются во все стороны.

Теория Большого взрыва не дает нам информации о размере Вселенной и даже о том, конечна она или бесконечна. Теория относительности описывает, как расширяется каждая область пространства, но ничего не говорится о размере или форме. Иногда космологи заявляют, что Вселенная когда-то была не больше грейпфрута, но они имеют в виду лишь ту ее часть, которую мы сейчас можем наблюдать.

У обитателей туманности Андромеды или других галактик свои наблюдаемые вселенные. Наблюдатели, находящиеся в Андромеде, могут видеть галактики, которые недоступны нам, просто из-за того, что они немного ближе к ним; зато они не могут созерцать те, которые рассматриваем мы. Их наблюдаемая Вселенная тоже была размером с грейпфрут. Можно вообразить, что ранняя Вселенная была похожа на кучу этих фруктов, безгранично простирающуюся во всех направлениях. Значит, представление о том, что Большой взрыв был «маленьким», ошибочно. Пространство Вселенной безгранично. И как его ни сжимай, оно таковым и останется.

Быстрее света

Ошибочные представления бывают связаны и с количественным описанием расширения. Скорость, с которой увеличиваются расстояния между галактиками, подчиняется простой закономерности, выявленной американским астрономом Эдвином Хабблом (Edwin Hubble) в 1929 г. : скорость удаления галактики v прямо пропорциональна его расстоянию от нас d, или v = Hd. Коэффициент пропорциональности H называется постоянной Хаббла и определяет скорость расширения пространства как вокруг нас, так и вокруг любого наблюдателя во Вселенной.

Некоторых сбивает с толку то, что не все галактики подчиняются закону Хаббла. Ближайшая к нам крупная галактика (Андромеда) вообще движется к нам, а не от нас. Такие исключения бывают, поскольку закон Хаббла описывает лишь среднее поведение галактик. Но каждая из них может иметь и небольшое собственное движение, поскольку галактики гравитационно воздействуют друг на друга, как, например, наша Галактика и Андромеда. Отдаленные галактики также имеют небольшие хаотические скорости, но при большом расстоянии от нас (при большом значении d) эти случайные скорости ничтожно малы на фоне больших скоростей удаления (v). Поэтому для далеких галактик закон Хаббла выполняется с высокой точностью.

Согласно закону Хаббла, Вселенная расширяется не с постоянной скоростью. Некоторые галактики удаляются от нас со скоростью 1 тыс. км/с, другие, находящиеся вдвое дальше, со скоростью 2 тыс. км/с, и т.д. Таким образом, закон Хаббла указывает, что, начиная с некоторого расстояния, называемого хаббловским, галактики удаляются со сверхсветовой скоростью. Для измеренного значения постоянной Хаббла это расстояние составляет около 14 млрд. световых лет.

Но разве частная теория относительности Эйнштейна не утверждает, что никакой объект не может иметь скорость выше скорости света? Такой вопрос ставил в тупик многие поколения студентов. А ответ состоит в том, что частная теория относительности применима лишь к «нормальным» скоростям – к движению в пространстве. В законе Хаббла речь идет о скорости удаления, вызванного расширением самого пространства, а не движением в пространстве. Этот эффект общей теории относительности не подчиняется частной теории относительности. Наличие скорости удаления выше скорости света никак не нарушает частную теорию относительности. По-прежнему верно, что никто не может догнать луч света.

МОГУТ ЛИ ГАЛАКТИКИ УДАЛЯТЬСЯ СО СКОРОСТЬЮ ВЫШЕ СКОРОСТИ СВЕТА?

НЕВЕРНО : Частная теория относительности Эйнштейна запрещает это. Рассмотрим область пространства, содержащую несколько галактик. Из-за ее расширения галактики удаляются от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость (красные стрелки). Если скорость света – предел, то скорость удаления должна в итоге стать постоянной.

ВЕРНО : Разумеется, могут. Частная теория относительности не рассматривает скорость удаления. Скорость удаления бесконечно возрастает с рассто- янием. Дальше некоторого расстояния, называемого хаббловским, она превышает скорость света. Это не является нарушением теории относительности, пос- кольку удаление вызвано не движением в простран- стве, а расширением самого пространства.

МОЖНО ЛИ УВИДЕТЬ ГАЛАКТИКИ, УДАЛЯЮЩИЕСЯ БЫСТРЕЕ СВЕТА?

НЕВЕРНО : Конечно нет. Свет от таких галактик улетает вместе с ними. Пусть галактика находится за пределом хаббловского расстояния (сфера), т.е. удаляется от нас быстрее скорости света. Она испускает фотон (помечено желтым цветом). Пока фотон летит сквозь пространство, само оно расширяется. Расстояние до Земли увеличивается быстрее, чем движется фотон. Он никогда не достигнет нас.

ВЕРНО : Конечно можно, поскольку скорость расширения изменяется со временем. Сначала фотон действительно сносится расширением. Однако хаббловское расстояние не постоянно: оно увеличивается, и в конце концов фотон может попасть в сферу Хаббла. Как только это случится, фотон будет двигаться быстрее, чем удаляется Земля, и он сможет достичь нас.

Растяжение фотонов

Первые наблюдения, показывающие, что Вселенная расширяется, были сделаны между 1910 и 1930 г. В лаборатории атомы испускают и поглощают свет всегда на определенных длинах волн. То же наблюдается и в спектрах далеких галактик, но со смещением в длинноволновую область. Астрономы говорят, что излучение галактики испытывает красное смещение. Объяснение простое: при расширении пространства световая волна растягивается и поэтому ослабевает. Если в течение того времени, пока световая волна дошла до нас, Вселенная расширилась вдвое, то и длина волны удвоилась, а ее энергия ослабла в два раза.

ГИПОТЕЗА УСТАЛОСТИ

Каждый раз, когда Scientific American публикует статью по космологии, многие читатели пишут нам, что, по их мнению, галактики на самом деле не удаляются от нас и что расширение пространства – иллюзия. Они полагают, что красное смещение в спектрах галактик вызвано чем-то вроде «утомления» от долгой поездки. Некий неизвестный процесс вынуждает свет, распространяясь сквозь пространство, терять энергию и поэтому краснеть.

Данной гипотезе уже более полувека, и на первый взгляд она выглядит разумной. Но она совершенно не согласуется с наблюдениями. Например, когда звезда взрывается как сверхновая, она вспыхивает, а затем тускнеет. Весь процесс длится примерно две недели у сверхновых того типа, который астрономы используют для определения расстояний до галактик. За этот период времени сверхновая излучает поток фотонов. Гипотеза усталости света говорит, что за время пути фотоны потеряют энергию, но наблюдатель все равно получит поток фотонов длительностью в две недели.

Однако в расширяющемся пространстве не только сами фотоны растягиваются (и поэтому теряют энергию), но и их поток также растягивается. Поэтому требуется более двух недель, чтобы все фотоны добрались до Земли. Наблюдения подтверждают такой эффект. Вспышка сверхновой в галактике с красным смещением 0,5 наблюдается три недели, а в галактике с красным смещением 1 – месяц.

Гипотеза усталости света противоречит также наблюдениям спектра реликтового излучения и измерениям поверхностной яркости далеких галактик. Пришло время отправить на покой «утомленный свет» (Чарльз Линевивер и Тамара Дэвис).

Сверхновые звезды, как эта в скоплении галактик в Деве, помогают измерять космическое расширение. Их наблюдаемые свойства исключают альтернативные космологические теории, в которых пространство не расширяется.

Процесс можно описать в терминах температуры. Испускаемые телом фотоны имеют распределение по энергии, которое в целом характеризуют температурой, указывающей, насколько тело горячее. Когда фотоны движутся в расширяющемся пространстве, они теряют энергию и их температура снижается. Таким образом, Вселенная при расширении охлаждается, как сжатый воздух, вырывающийся из баллона аквалангиста. К примеру, реликтовое излучение сейчас имеет температуру около 3 К, тогда как оно родилось при температуре около 3000 К. Но с того времени Вселенная увеличилась в размере в 1000 раз, а температура фотонов понизилась во столько же раз. Наблюдая газ в далеких галактиках, астрономы прямо измеряют температуру этого излучения в далеком прошлом. Измерения подтверждают, что Вселенная со временем охлаждается.

В связи между красным смещением и скоростью также существуют некоторые противоречия. Красное смещение, вызванное расширением, часто путают с более знакомым красным смещением, вызванным эффектом Доплера, который обычно делает звуковые волны более длинными, если источник звука удаляется. То же верно и для световых волн, которые становятся более длинными, если источник света отдаляется в пространстве.

Доплеровское красное смещение и космологическое красное смещение – вещи абсолютно разные и описываются различными формулами. Первая вытекает из частной теории относительности, которая не принимает во внимание расширение пространства, а вторая следует из общей теории относительности. Эти две формулы почти одинаковы для близлежащих галактик, но различаются для отдаленных.

Согласно формуле Доплера, если скорость объекта в пространстве приближается к скорости света, то его красное смещение стремится к бесконечности, а длина волны становится слишком большой и поэтому недоступной для наблюдения. Если бы это было верно для галактик, то самые отдаленные видимые объекты на небе удалялись бы со скоростью, заметно меньшей скорости света. Но космологическая формула для красного смещения приводит к другому выводу. В рамках стандартной космологической модели галактики с красным смещением около 1,5 (т.е. принимаемая длина волны их излучения на 50% больше лабораторного значения) удаляются со скоростью света. Астрономы уже обнаружили около 1000 галактик с красным смещением больше 1,5. А значит, нам известно около 1000 объектов, удаляющихся быстрее скорости света. Реликтовое излучение приходит с еще большего расстояния и имеет красное смещение около 1000. Когда горячая плазма молодой Вселенной испускала принимаемое нами сегодня излучение, она удалялась от нас почти в 50 раз быстрее скорости света.

Бег на месте

Трудно поверить, что мы можем видеть галактики, движущиеся быстрее скорости света, однако это возможно из-за изменения скорости расширения. Вообразите луч света, идущий к нам с расстояния большего, чем расстояние Хаббла (14 млрд. световых лет). Он движется к нам со скоростью света относительно своего местоположения, но само оно удаляется от нас быстрее скорости света. Хотя свет устремляется к нам с максимально возможной скоростью, он не может угнаться за расширением пространства. Это напоминает ребенка, пытающегося бежать в обратную сторону по эскалатору. Фотоны на хаббловском расстоянии перемещаются с максимальной скоростью, чтобы оставаться на прежнем месте.

Можно подумать, что свет из областей, удаленных дальше расстояния Хаббла, никогда не сможет дойти до нас и мы его никогда не увидим. Но расстояние Хаббла не остается неизменным, поскольку постоянная Хаббла, от которой оно зависит, меняется со временем. Эта величина пропорциональна скорости разбегания двух галактик, деленной на расстояние между ними. (Для вычисления можно использовать любые две галактики.) В моделях Вселенной, согласующихся с астрономическими наблюдениями, знаменатель увеличивается быстрее числителя, поэтому постоянная Хаббла уменьшается. Следовательно, расстояние Хаббла растет. А раз так, свет, который первоначально не достигал нас, может со временем оказаться в пределах хаббловского расстояния. Тогда фотоны окажутся в области, удаляющейся медленнее скорости света, после чего они смогут добраться до нас.

ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ЛИ КОСМИЧЕСКОЕ КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ – ЭТО ДОПЛЕРОВСКОЕ СМЕЩЕНИЕ?

НЕВЕРНО : Да, потому что удаляющиеся галактики движутся в пространстве. В эффекте Доплера световые волны растягиваются (становясь более красными), когда их источник удаляется от наблюдателя. Длина волны света не меняется во время его путешествия сквозь пространство. Наблюдатель принимает свет, измеряет его красное смещение и вычисляет скорость галактики.

ВЕРНО : Нет, красное смещение не имеет никакого отношения к эффекту Доплера. Галактика почти неподвижна в пространстве, поэтому испускает свет одинаковой длины волны во всех направлениях. За время пути длина волны становится больше, поскольку пространство расширяется. Поэтому свет постепенно краснеет. Наблюдатель принимает свет, измеряет его красное смещение и вычисляет скорость галактики. Космическое красное смещение отличается от доплеровского смещения, что подтверждают наблюдения.

Однако галактика, пославшая свет, может продолжать удаляться со сверхсветовой скоростью. Таким образом, мы можем наблюдать свет от галактик, которые, как и прежде, всегда будут удаляться быстрее скорости света. Одним словом, хаббловское расстояние не фиксировано и не указывает нам границы наблюдаемой Вселенной.

А что в действительности отмечает границу наблюдаемого пространства? Здесь тоже происходит некая путаница. Если бы пространство не расширялось, то самый отдаленный объект мы могли бы наблюдать теперь на расстоянии около 14 млрд. световых лет от нас, т.е. на расстоянии, которое свет преодолел за 14 млрд. лет, прошедших с момента Большого взрыва. Но поскольку Вселенная расширяется, пространство, пересеченное фотоном, расширилось за время его пути. Поэтому текущее расстояние до самого удаленного из наблюдаемых объектов примерно втрое больше – около 46 млрд. световых лет.

Раньше космологи думали, что мы живем в замедляющейся Вселенной и поэтому можем наблюдать все больше и больше галактик. Однако в ускоряющейся Вселенной мы отгорожены границей, вне которой никогда не увидим происходящие события – это космический горизонт событий. Если свет от галактик, удаляющихся быстрее скорости света, достигнет нас, значит, расстояние Хаббла увеличится. Но в ускоряющейся Вселенной его увеличение запрещено. Удаленное событие может послать луч света в нашем направлении, но этот свет навсегда останется за пределом расстояния Хаббла из-за ускорения расширения.

Как видим, ускоряющаяся Вселенная напоминает черную дыру, тоже имеющую горизонт событий, извне которого мы не получаем сигналов. Нынешнее расстояние до нашего космического горизонта событий (16 млрд. световых лет) целиком лежит в пределах нашей наблюдаемой области. Свет, испущенный галактиками, находящимися сейчас дальше космического горизонта событий, никогда не сможет достигнуть нас, т.к. расстояние, которое сейчас соответствует 16 млрд. световых лет, будет расширяться слишком быстро. Мы сможем увидеть события, происходившие в галактиках прежде, чем они пересекли горизонт, но о последующих событиях мы не узнаем никогда.

Во Вселенной расширяется все?

Люди часто думают, что если пространство расширяется, то и все в нем тоже расширяется. Но это неверно. Расширение как таковое (т.е. по инерции, без ускорения или замедления) не производит никакой силы. Длина волны фотона увеличивается вместе с ростом Вселенной, поскольку в отличие от атомов и планет фотоны не связанные объекты, размеры которых определяются равновесием сил. Изменяющаяся скорость расширения действительно вносит новую силу в равновесие, но и она не может заставить объекты расширяться или сжиматься.

Например, если бы гравитация стала сильнее, ваш спинной мозг сжался бы, пока электроны в позвоночнике не достигли бы нового положения равновесия, чуть ближе друг к другу. Ваш рост немного уменьшился бы, но сжатие на этом прекратилось бы. Точно так же, если бы мы жили во Вселенной с преобладанием сил тяготения, как еще несколько лет назад считало большинство космологов, то расширение замедлялось бы, а на все тела действовало бы слабое сжатие, заставляющее их достигать меньшего равновесного размера. Но, достигнув его, они бы больше не сжимались.

НАСКОЛЬКО ВЕЛИКА НАБЛЮДАЕМАЯ ВСЕЛЕННАЯ?

НЕВЕРНО : Вселенной 14 млрд. лет, поэтому наблюдаемая ее часть должна иметь радиус 14 млрд. световых лет.Рассмотрим самую далекую из наблюдаемых галактик – ту, чьи фотоны, испущенные сразу после Большого взрыва, только теперь достигли нас. Световой год – это расстояние, проходимое фотоном за год. Значит, фотон преодолел 14 млрд. световых лет

ВЕРНО : Поскольку пространство расширяется, наблюдаемая область имеет радиус больше, чем 14 млрд. световых лет. Пока фотон путешествует, пространство, которое он пересекает, расширяется. К моменту, когда он достигает нас, расстояние до испустившей его галактики становится больше, чем просто вычисленное по времени полета, – приблизительно втрое больше

Фактически же расширение ускоряется, что вызвано слабой силой, «раздувающей» все тела. Поэтому связанные объекты имеют размеры немного больше, чем были бы в неускоряющейся Вселенной, поскольку равновесие сил достигается у них при немного большем размере. На поверхности Земли ускорение, направленное наружу, от центра планеты, составляет мизерную долю ($10^{–30}$) нормального гравитационного ускорения к центру. Если это ускорение неизменно, то оно не заставит Землю расширяться. Просто планета принимает чуть больший размер, чем он был бы без силы отталкивания.

Но все изменится, если ускорение не постоянно, как полагают некоторые космологи. Если отталкивание увеличивается, то это может в конце концов вызвать разрушение всех структур и привести к «Большому разрыву», который произошел бы не из-за расширения или ускорения как такового, а потому что ускорение ускорялось бы.

А ОБЪЕКТЫ ВО ВСЕЛЕННОЙ ТОЖЕ РАСШИРЯЮТСЯ?

НЕВЕРНО : Да. Расширение заставляет Вселенную и все находящееся в ней увеличиваться. В качестве объекта рассмотрим скопление галактик. Раз Вселенная становится больше, то и скопление – также. Граница скопления (желтая линия) расширяется.

ВЕРНО : Нет. Вселенная расширяется, но связанные объекты в ней не делают этого. Соседние галактики сначала удаляются, но в конечном счете их взаимное притяжение пересиливает расширение. Формируется скопление такого размера, которое соответствует его равновесному состоянию.

По мере того как новые точные измерения помогают космологам лучше понять расширение и ускорение, они могут задаться еще более фундаментальными вопросами о самых ранних мгновениях и наибольших масштабах Вселенной. Чем было вызвано расширение? Многие космологи считают, что в этом виноват процесс, называемый «инфляцией» (раздуванием), особый тип ускоряющегося расширения. Но возможно, это лишь частичный ответ: чтобы она началась, похоже, Вселенная уже должна была расширяться. А что относительно наибольших масштабов за пределом наших наблюдений? Расширяются ли разные части Вселенной по-разному, так, что наша Вселенная – это всего лишь скромный инфляционный пузырь в гигантской сверхвселенной? Никто не знает. Но мы надеемся, что со временем мы сможем прийти к пониманию процесса расширения Вселенной.

ОБ АВТОРАХ:
Чарльз Линевивер (Charles H. Lineweaver) и Тамара Дэвис (Tamara M. Davis) – астрономы из австралийской обсерватории Маунт-Стромло. В начале 1990-х гг. в Калифорнийском университете в Беркли Линевивер входил в группу ученых, открывших с помощью спутника COBE флуктуации реликтового излучения. Он защитил диссертацию не только по астрофизике, но и по истории и английской литературе. Дэвис работает над созданием космической обсерватории Supernova/Acceleration Probe (Исследователь сверхновых звезд и ускорения).

ЗАМЕЧАНИЯ К СТАТЬЕ «ПАРАДОКСЫ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА»
Профессор Засов Анатолий Владимирович, физ. ф-т МГУ: Все недоразумения, с которыми спорят авторы статьи, связаны с тем, что для наглядности чаще всего рассматривают расширение ограниченного объема Вселенной в жесткой системе отсчета (причем расширение достаточно маленькой области, чтобы не учитывать разность хода времени на Земле и на далеких галактиках в земной системе отсчета). Отсюда представление и о взрыве, и о доплеровском смещении, и распространенная путаница со скоростями движения. Авторы же пишут, и пишут правильно, как все выглядит в неинерциальной (сопутствующей) системе координат, в которой обычно работают космологи, хотя в статье прямо не говорится об этом (в принципе, все расстояния и скорости зависят от выбора системы отсчета, и здесь всегда есть некий произвол). Единственно, что написано нечетко, так это то, что не определено, что же в расширяющейся Вселенной понимается под расстоянием. Сначала у авторов это скорость света, умноженная на время распространения, а далее говорится, что необходим еще учет расширения, которое удалило галактику еще больше, пока свет был в пути. Таким образом, расстояние уже понимается как скорость света, умноженная на время распространения, которое он потратил бы, если бы галактика перестала удаляться и излучила свет сейчас. В действительности все сложнее. Расстояние – величина модельно зависимая и непосредственно из наблюдений не получаемая, поэтому космологи без него прекрасно обходятся, заменяя красным смещением. Но может быть, более строгий подход здесь и неуместен.

Астрофизики NASA сделали важное научное открытие – они экспериментально подтвердили инфляционную теорию эволюции Вселенной.

Ученые убеждены, что они "прикоснулись" к событиям примерно 14 000 000 000-летней давности. В продолжении трехлетних непрерывных наблюдений космического фона в микроволновом диапазоне они смогли "поймать" свет, оставшийся(реликтовый) от первых мгновений жизни Вселенной. Данные открытия были совершены при помощи аппарата WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) .

Астрофизики изучают Вселенную в тот момент ее существования, когда ее возраст был около одной триллионной доли секунды, то есть практически сразу же после Большого Взрыва. Именно в этот момент в крошечной Вселенной появились зачатки будущих сотен миллионов галактик, из которых в дальнейшем за сотни миллионов лет сформировались звезды и планеты.

Ведущий постулат инфляционной теории таков: после Большого взрыва (Big Bang), давшего начало нашей Вселенной, она за невероятно короткий отрезок времени - триллионную долю секунды - превратилась из микроскопического объекта в нечто колоссальное, многократно превышающее всю наблюдаемую часть космоса, то есть претерпела инфляцию.

"Полученные результаты свидетельствуют в пользу инфляции", - заявил Чарлз Беннетт (Университет Джонса Гопкинса), сообщивший об открытии. "Поразительно, что мы вообще можем хоть что-то сказать о том, что случилось в первую триллионную долю секунды существования Вселенной", - сказал он.

Судя по всему, в первые триллионные доли секунды после Взрыва скорость расширения Вселенной была выше, чем скорость света и то время, которое прошло с момента расширения Вселенной из размеров нескольких атомов, до устойчивой сферической формы измеряется очень малыми величинами. Впервые данная гипотеза была выдвинута еще в 80-х годах.

"Как нам узнать, что было во Вселенной в моменты ее создания? Космический микроволновой фон - это настоящая сокровищница сведений о прошлом нашей Вселенной. Световое излучение, дошедшее до нас, совершенно точно указывает на факты развития Вселенной", - говорит доктор Гэри Хиншоу, работник космического центра НАСА имени Годдарда.

Сама инфляционная теория существует в нескольких вариантах, рассказывает NewsInfo астроном Николай Николаевич Чугай (Институт Астрономии РАН).

"Полной теории этого не существует, но есть только некие предположения о том, как это происходило. Но есть одно "предсказание", которое следует из того, что квантовые флуктуации (от лат. fluctuatio - колебание; случайные отклонения физических величин от их средних значений на микроскопических масштабах) предсказывают некий спектр возмущений, то есть распределение амплитуды этих возмущений в зависимости от длинны масштаба, на котором это возмущение развивается. Вы можете представить себе на рисунке волнистую линию с разной длинной волнами, и если у вас амплитуда для крупномасштабных одна, а для мелкомасштабных другая - вы говорите, что спектр этих возмущений не плоский", - поясняет Николай Чугай.

Примерно до 1970-х годов 20 века существовала стандартная картина Большого взрыва, в соответствии с которой наша Вселенная возникла из очень плотного горячего состояния. Произошел термоядерный синтез гелия – это одно из подтверждений модели горячей Вселенной. В 1964 году было обнаружено реликтовое (остаточное) излучение, за которое была получена Нобелевская премия. Реликтовое излучение идет к нам от очень далеких областей. В процессе расширения излучение, заполняющее большую Вселенную, остывает.

"Это свойство похоже на то, когда воздушный шарик лопается и становится холодным, - поясняет Николай Чугай. - То же самое происходит, когда спрей из баллона у вас вырывается, и вы можете почувствовать, как баллончик охлаждается".

"Обнаружение этого излучения (оно сейчас холодное – всего 3 градуса) было решающим доказательством горячей фазы Вселенной. Но эта модель не полна, - считает астроном. - Она не объясняет всего. А главное то, что она не объясняет того факта, что Вселенная однородна на всех масштабах. Куда бы мы не посмотрели – мы видим практически одинаковые галактики с одинаковой плотностью этих галактик в единицах объема. Всюду она примерно одинаково устроена. Поскольку эти далекие точки Вселенной не взаимодействуют, то получается странно - с точки зрения физика – как это они не взаимодействуют и друг о друге ничего не знают, условно говоря? И, тем не менее, Вселенная устроена в этих далеких точках одинаково. И это должно означать для физика то, что когда-то эти далекие части Вселенной были в контакте. То есть они были частью целого, в котором распространялись возмущения и эти возмущения сглаживались. То есть когда-то вселенная, которую мы видим сейчас на больших масштабах, была физически единой - сигналы и возмущения из этих далеких точек успевали проходить и размазывать возмущения, которые там возникали".

Сегодня мы как раз и наблюдаем эту однородность в далеких точках Вселенной в противоположных областях неба в качестве совершенно одинаковых по плотности - реликтовое излучение, которое мы наблюдаем абсолютно одинаковой интенсивности и яркости. "Независимо от того, куда вы смотрите", - говорит доктор Чугай.

"А это и обозначает то, что Вселенная была абсолютно однородной – изотропной. Эта начальная инфляционная стадия позволяет "приготовить" такую однородную вселенную. Другое достоинство инфляционной фазы не только, в том, что она приготовила однородную вселенную, но также и в том, что так называемые квантовые флуктуации (возмущение плотности на микроскопических масштабах длины) были связаны с квантовой природой нашего мира (на уровне элементарных частиц)", - заключил Николай Чугай.

Послушайте звуки имитации Большого взрыва.

В статье использованы материалы:

2.Ringside Seat to the Universe"s First Split Second 3.Росиийских сми

Согласно данной теории Вселенная появилась в виде горячего сгустка сверхплотной материи, после чего она начала расширяться и остывать. На самом первом этапе эволюции Вселенная находилась в сверхплотном состоянии и представляла собой -глюонную плазму. Если протоны и нейтроны сталкивались и образовывали более тяжелые ядра, время их существования было ничтожно мало. При следующем столкновении с какой-либо быстрой частицей они сразу же распадались на элементарные компоненты.

Примерно 1 миллиард лет назад началось формирование галактик, в тот момент Вселенная стала отдаленно напоминать то, что мы можем увидеть сейчас. Через 300 тысяч лет после Большого взрыва она настолько остыла, что электроны стали прочно удерживаться ядрами, вследствие чего появились стабильные атомы, которые не распадались сразу же после соударения с другим ядром.

Образование частиц

Образование частиц началось в результате расширения Вселенной. Ее дальнейшее охлаждение привело к образованию ядер гелия, которое произошло в результате первичного нуклеосинтеза. С момента Большого взрыва должно было пройти около трех минут, прежде чем Вселенная остыла, а энергия соударения уменьшалась настолько, что частицы стали образовывать устойчивые ядра. В первые три минуты Вселенная представляла собой раскаленное море элементарных частиц.

Первичное образование ядер продолжалось очень недолго, после первых трех минут частицы отдались друг от друга так, что столкновения между ними стали крайне редки. В этот короткий период первичного нуклеосинтеза появился дейтерий - тяжелый изотоп водорода, ядро которого содержит один протон и один . Одновременно с дейтерием образовались: гелий-3, гелий-4 и незначительное количество лития-7. Все более тяжелые элементы появились на стадии формирования звезд.

После рождения Вселенной

Примерно через одну стотысячную долю секунды от начала зарождения Вселенной кварки соединились в элементарные частицы. С этого момента Вселенная стала остывающим морем элементарных частиц. Вслед за этим начался процесс, который называют великим объединением фундаментальным сил. Тогда во Вселенной присутствовали энергии, соответствующие максимальным энергиям, которые могут быть получены в современных ускорителях. После началось скачкообразное инфляционное расширение, одновременно с ним исчезли античастицы.

Источники:

• Элементы, Большой взрыв
• Элементы, Ранняя Вселенная

Одним из направлений естественных наук, лежащих на границе физики, математики и отчасти даже богословия, является разработка и исследование теорий возникновения Вселенной. На сегодняшний день ученые предложили несколько космологических моделей, концепция Большого взрыва является общепринятой.

Сущность теории и последствия взрыва

Согласно теории Большого взрыва, Вселенная перешла из так называемого сингулярного состояния в состояние постоянного расширения в результате всеобщего взрыва какого-то вещества небольшого размера и высокой температуры. Взрыв был такого масштаба, что каждая частница материи стремилась удалиться от другой. Расширение Вселенной подразумевает привычные всем категории трехмерного пространства, до взрыва, очевидно, их не существовало.

До самого взрыва выделяют несколько этапов: Планковская эпоха (самая ранняя), эпоха Великого объединения (время электроядерных сил и гравитации) и, наконец, Большой взрыв.

Вначале образовались фотоны (излучение), затем частицы вещества. В течение первой же секунды из этих частиц образовались протоны, антипротоны и нейтроны. После этого стали частыми реакции аннигиляции, так Вселенной было очень плотным, частицы непрерывно между собою сталкивались.

На второй секунде, когда Вселенная остыла до 10 млрд градусов, образовались и некоторые другие элементарные частицы, например, электрон и позитрон. К тому же временному отрезку большая часть частиц аннигилировала. Частиц вещества было минимально больше, чем частиц антивещества. Поэтому наша Вселенная состоит из материи, а не из .

Через три минуты всех протонов и нейтронов превратились в ядра гелия. Через сотни тысяч лет постоянно расширяющаяся Вселенная значительно остыла, ядра гелия и протоны уже могли удерживать в себе электроны. Таким образом образовались атомы гелия и водорода. Вселенная стала менее «тесной». Излучение смогло распространяться на значительные расстояния. До сих пор на Земле можно «услышать» эхо того излучения. Его принято называть реликтовым. Обнаружение и существование реликтового излучения подтверждают концепцию Большого взрыва, это микроволновое излучение.

Постепенно при расширении в тех или иных местах однородной Вселенной образовывались случайные сгущения. Именно они стали предтечами больших уплотнений и точками концентрации вещества. Так во Вселенной образовались области, где вещества почти не было, и области, где его было много. Сгустки вещества увеличивались под действием гравитации. В таких местах постепенно стали образовываться галактики, скопления и сверхскопления галактик.

Критика

В конце двадцатого века концепция Большого Взрыва стала практически общепринятой в космологии. Тем не менее, существует множество критических замечаний и дополнений. Например, самым спорным положением концепции является проблема причин возникновения взрыва. Кроме того, некоторые ученые не соглашаются с идеей расширяющейся Вселенной. Интересно, что разные религии в целом положительно восприняли концепцию, обнаружив даже указания на Большой взрыв в Священных

Все слышали о теории Большого взрыва, которая объясняет (по крайней мере, на данный момент) зарождение нашей Вселенной. Однако в ученых кругах всегда найдутся желающие оспорить идеи - из этого, кстати, нередко и вырастают великие открытия.

Однако, понял Дикке, если бы эта модель была реальной, то не было бы двух видов звезд - Населения I и Населения II, молодых и старых звезд. А они были. Значит, Вселенная вокруг нас все-таки развилась из горячего и плотного состояния. Даже если это был не единственный в истории Большой взрыв.

Удивительно, правда? Вдруг этих взрывов было несколько? Десятки, сотни? Науке еще предстоит это выяснить. Дикке предложил своему коллеге Пиблсу просчитать необходимую для описанных процессов температуру и вероятную температуру остаточного излучения в наши дни. Примерные расчеты Пиблса показали, что сегодня Вселенная должна быть наполнена микроволновым излучением с температурой менее 10 К, и Ролл с Уилкинсоном уже готовились искать это излучение, когда раздался звонок…

Трудности перевода

Однако тут стоит перенестись в другой уголок земного шара - в СССР. Ближе всех к открытию реликтового излучения подошли (и тоже не довели дело до конца!) в СССР. Проделав в течение нескольких месяцев огромную работу, отчет о которой вышел в 1964 году, советские ученые сложили, казалось, все части головоломки, не хватило лишь одной. Яков Борисович Зельдович, один из колоссов советской науки, осуществил расчеты, аналогичные тем, что провел коллектив Гамова (советского физика, живушего в США), и тоже пришел к выводу, что Вселенная должна была начаться с горячего Большого взрыва, оставившего фоновое излучение с температурой в несколько кельвинов.

Яков Борисович Зельдович, –

Он даже знал о статье Эда Ома в «Техническом журнале Bell System», который примерно высчитал температуру реликтового излучения, но неверно интерпретировал выводы автора. Почему же советские исследователи не поняли, что Ом уже открыл это излучение? Из-за ошибки в переводе. В статье Ома утверждалось, что измеренная им температура неба составила около 3 К. Это означало, что он вычел все возможные источники радиопомех и что 3 К - это температура оставшегося фона.

Однако по случайному совпадению такой же (3 К) была и температура излучения атмосферы, поправку на которую Ом тоже сделал. Советские специалисты ошибочно решили, что именно эти 3 К и остались у Ома после всех предыдущих корректировок, вычли и их и остались ни с чем.

В наши дни подобные ошибки понимания легко устранились бы в процессе электронной переписки, но в начале 1960-х годов коммуникация между учеными Советского Союза и Соединенных Штатов была весьма затруднена. Это и стало причиной столь обидной ошибки.

Нобелевская премия, которая уплыла из рук

Вернемся в день, когда в лаборатории Дикке раздался телефонный звонок. Оказывается, в это же время астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон сообщили, что им случайно удалось уловить слабый радиошум, поступающий из всего . Тогда они еще не знали, что другой коллектив ученых самостоятельно пришел к идее существования такого излучения и даже начал строить детектор для его поиска. Это был коллектив Дикке и Пиблса.

Еще удивительнее и то, что космическое микроволновое фоновое, или, как его еще называют, реликтовое, излучение было более чем за десять лет до этого описано в рамках модели возникновения Вселенной в результате Большого взрыва Георгием Гамовым и его коллегами. Ни одна, ни другая группа ученых об этом не знала.

Пензиас и Вильсон случайно узнали о работе ученых под руководством Дикке и решили им позвонить, чтобы обсудить это. Дикке внимательно выслушал Пензиаса и сделал несколько замечаний. Положив трубку, он повернулся к коллегам и сказал: «Ребята, нас обскакали».

Спустя почти 15 лет, после того как множество измерений, произведенных на самых разных длинах волн многими группами астрономов, подтвердили, что открытое ими излучение действительно реликтовое эхо Большого взрыва, имеющее температуру 2,712 К, Пензиас и Вильсон разделили Нобелевскую премию за свое изобретение. Хотя поначалу они даже не хотели писать статью о своем открытии, потому что считали его несостоятельным и не укладывающимся в модель стационарной Вселенной, которой они придерживались!

Говорят, Пензиас и Вильсон сочли бы для себя достаточным упоминание в качестве пятого и шестого имени в списке после Дикке, Пиблса, Ролла и Уилкинсона. В таком случае Нобелевская премия, видимо, ушла бы Дикке. Но все случилось так, как случилось.

P.S.: Подписывайтесь на нашу рассылку . Раз в две недели будем присылать 10 самых интересных и полезных материалов из блога МИФ.