Деяка іронія природи полягає в тому, що найбільш рясна форма енергії у Всесвіті є і найбільш загадкова. Після приголомшливого відкриття прискореного розширення Всесвіту досить швидко виникла узгоджена картина, що вказує на те, що 2/3 космосу «зроблені» з «темної енергії» - деякого сорту відіткуючого матеріалу, що гравітаційно відштовхує. Але чи є достатньо переконливими докази, що підтверджують нові екзотичні закони природи? Може є простіші астрофізичні пояснення цих результатів?
Прообраз цієї нотатки був нещодавно опублікований у науково-популярному розділі Хабра, щоправда, під замком так що можливо не всім зацікавленим вона дісталася. У цьому варіанті зроблено досить суттєві доповнення, оскільки всім має бути цікавою.
Історія темної енергії почалася в 1998 році, коли два незалежні колективи досліджували віддалені наднові. з метою виявити швидкість уповільнення розширення Всесвіту.Одна з них, Supernova Cosmology Project, розпочала роботу в 1988-му, і керував нею Сол Перлмуттер. Інша, очолювана Браяном Шмідтом High-z Supernova Search Team, підключилася до досліджень 1994-го. Результат шокував їх: Всесвіт досить давно перебуває в режимі прискореного розширення.
Як детективи, космологи всього світу збирали досьє на обвинуваченого, відповідального за прискорення. Його особливі прикмети: гравітаційно відштовхує, перешкоджає утворенню галактик (кластеризації матерії в галактики), проявляється у розтягуванні простору-часу. Прізвисько обвинуваченого – «темна енергія». Багато теоретиків припускали, що обвинувачений – космологічна константа. Вона, безумовно, відповідала сценарію прискореного розширення. Але чи вистачало доказів, щоб повністю ідентифікувати темну енергію з постійною космологічною?
Існування гравітаційно-відштовхувальної темної енергії мало мати драматичні наслідки для фундаментальної фізики. Найбільш консервативне припущення полягало в тому, що Всесвіт заповнений однорідним морем квантової енергіїнульових коливань чи конденсатом нових частинок, маса яких у $((10)^(39))$ разів менша від електрона. Деякі дослідники також передбачали необхідність зміни загальної теоріївідносності, зокрема, нові дальнодіючі сили, що послаблюють дію гравітації. Але навіть у найконсервативніших пропозиціях були серйозні недоліки. Наприклад, щільність енергії нульових коливань виявилася на 120 неправдоподібних порядку меншою від теоретичних передбачень. З погляду цих екстремальних припущень здавалося більш природним шукати рішення в рамках традиційних астрофізичних понять: міжгалактичний пил (розсіяння фотонів на ньому і пов'язане з цим ослаблення потоку фотонів) або різниця між новими та старими надновими зірками. Ця можливість підтримувалася багатьма космологами, які спали вночі.
Спостереження наднових та його аналіз проведений З. Перлмуттером, Б. Шмідтом і А. Ріссом, дали зрозуміти, що зменшення їх яскравості з відстанню відбувається помітно швидше, ніж слід було б очікувати, за прийнятими тоді космологічним моделям. Зовсім недавно це відкриття було відзначено. Таке додаткове потьмарення означає, що цьому червоному зміщенню відповідає деяка ефективна добавка відстані. Але це, своєю чергою, можливе лише тоді, коли космологічне розширення відбувається з прискоренням, тобто. швидкість віддалення від нас джерела світла не зменшується, а зростає з часом. Найважливіша особливість нових експериментів полягала і в тому, що вони дозволили не тільки визначити сам факт прискореного розширення, але й зробити важливий висновок про вклад у щільність речовини у Всесвіті різних складових.
Донедавна наднові зірки були єдиним прямим доказом прискореного розширення та єдиною переконливою опорою темної енергії. Точні вимірювання космічного мікрохвильового фону, що включають WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), дані забезпечили незалежне підтвердження реальності темної енергії. Те саме підтвердили і дані ще двох потужних проектів: великомасштабний розподіл галактик у Всесвіті та Sloan Digital Sky Survey (SDSS).
Комбінація даних WMAP, SDSS та інших джерел, виявили, що гравітаційне відштовхування, що генерується темною енергією, уповільнює колапс надщільних областей матерії у Всесвіті. Реальність темної енергії відразу стала значно прийнятнішою.
Космічне розширення
Космічне розширення було відкрито Едвіном Хаблом наприкінці 1920-х і, може, є самою важливою особливістюнашого Всесвіту. Не лише астрономічні тіла рухаються під впливом гравітаційної взаємодіїсвоїх сусідів, а й великомасштабні структури ще більшою мірою розтягуються космічним розширенням. Популярна аналогія - рух родзинок у дуже великому пирозі, що знаходиться в печі. Коли пиріг підходить, відстань між будь-якою парою родзинок, занурених у пиріг, зростає. Якщо ми уявимо, що одна конкретна особливість представляє нашу галактику, то ми виявимо, що всі інші особливості (галактики) віддаляються від нас у всіх напрямках. Наш Всесвіт розширювався з гарячого щільного космічного супу, створеного в процесі Великого Вибуху, в куди холодніше і розряджене зібрання галактик і кластерів галактик, якою ми спостерігаємо сьогодні.
Світло, випущене зірками і газом у віддалених галактиках, розтягується подібним чином, подовжуючи свою довжину хвилі під час своєї подорожі до Землі. Цей зсув у довжині хвилі задається червоним усуненням $z=\left(\lambda_(obs)-\lambda_0\right)/\lambda_0$, де $\lambda_(obs)$ - довжина світла на Землі і $\lambda_(0) $-довжина хвилі випущеного світла. Наприклад, лайман альфа перехід в атомі водню характеризується довжиною хвилі $\lambda_0=121.6$ нанометрів (при поверненні до основного стану). Цей перехід можна знайти у випромінюванні віддалених галактик. Зокрема, він був використаний для виявлення рекордно великого червоного усунення: приголомшливе z=10 з лінією лайман альфа при $lambda_(obs)=1337.6$ нанометрів. Але червоне зміщення описує лише зміна в масштабах космосу при випромінюванні та поглинанні світла і не дає прямої інформації про відстань до випромінювача або вік Всесвіту, коли світло було випущено. Якщо ми знаємо як відстань до об'єкта, так і червоне усунення, ми можемо спробувати отримати важливу інформаціюпро динаміку розширення Всесвіту.
Спостереження наднових зіроквиявили деяку гравітаційно-відштовхувальну субстанцію, яка керує прискоренням Всесвіту. Астрономи не вперше зіткнулися з проблемою недостатньої матерії. Світяться маси галактик виявилися значно менше гравітуючих мас. Ця різниця була заповнена темною матерією – холодною нерелятивістською матерією, в основному, ймовірно, що складається з частинок, що слабо взаємодіють з атомами та світлом.
Однак спостереження вказували, що повна кількість матерії у Всесвіті, включаючи і темну матерію, становить лише 1/3 від повної енергії. Це було підтверджено дослідженням мільйонів галактик у рамках 2DF та SDSS проектів. Але загальна теорія відносності передбачає, що є точний зв'язок між розширенням та енергетичним змістом Всесвіту. Ми, отже, знаємо, що загальна щільність енергії всіх фотонів, атомів і темної матеріїповинна бути доповнена до деякого критичного значення, що визначається постійною Хаббла $H_(0)$: $((\rho)_(crit))=3H_(0)^(2)/8\pi\cdot(G)$. Загвоздка у тому, чого немає, але це зовсім інша історія.
Маса, енергія та кривизна простору-часу безпосередньо пов'язані в ОТО. Одне з пояснень, отже, може полягати в тому, що щілина між критичною щільністю і спостерігається щільністю матерії заповнена деякою щільністю енергії, пов'язаної з деформацією простору на великих масштабах і спостерігається тільки на масштабах близько $c/((H)_(0)) \sim 4000\ Mpc$. На щастя, кривизна Всесвіту може бути визначена за допомогою прецизійних вимірів МКФ. Релікт, з походженням 400.000 після Великого Вибуху, МКФ є випромінюванням абсолютно чорного тіла, джерелом якого є первинна плазма. Коли Всесвіт охолонув нижче $3000\ K$ плазма стала прозорою для фотонів і вони отримали можливість вільно поширюватися у просторі. Сьогодні майже через 15 млрд років ми спостерігаємо тепловий резервуар фотонів при температурі $2.726\K$, що представляє результат червоного зміщення за рахунок космічного розширення.
Чудовий образ МКФ був отриманий за допомогою супутника WMAP, що показує найменші зміни фотонної температури «неба». Ці варіації, відомі як анізотропія МКФ, відображають малі варіації щільності і руху раннього Всесвіту. Ці варіації, які виникають на рівні $((10)^(-5))$ є зародками великомасштабної структури (галактики, кластери), які ми спостерігаємо сьогодні.
Найбільш холодні/гарячі плями у космічному мікрохвильовому фоні зобов'язані фотонам, які вибралися з ділянок гравітаційного потенціалу найбільшої/найменшої щільності. Розміри цих ділянок добре визначені фізикою плазми. Коли ми розглядаємо повний Всесвіт, видимий кутовий розмір цих анізотропій повинен бути близько $((0.5)^(0))$, якщо Всесвіт має достатню кривизну щоб заповнити енергетичну щілину і вдвічі більші кутові розміри без будь-якого викривлення простору. Найбільш простий спосіб уявити в уяві цей геометричний ефект полягає в наступному: уявімо собі трикутник з фіксованою основою та бічними сторонами (просто сторонами?), намальований на поверхнях різної кривизни. Для седлової поверхні/сфери внутрішні кути будуть меншими/більшими, ніж у того ж трикутника, намальованого на плоскій поверхні (з евклідовою геометрією).
З 1999 року було проведено цілий рядекспериментів (TOCO, MAXIMA, BOOMERANG, WMAP), які показали, що плями МКФ мають розміри порядку $ ((1) ^ (0)) $. Це означає, що геометрія Всесвіту плоска. З точки зору проблеми енергії, що бракує, це означає, що щось інше, ніж кривизна має бути відповідально за заповнення щілини. Для деяких космологів цей результат виглядав як déjà vu. Інфляція, найкраща теоріяПоходження первинних флуктуацій МКФ, припускає, що дуже ранній Всесвіт відчував період прискореного розширення, який керувався часткою, званою інфлатоном. Інфлатон повинен був розтягувати будь-яку великомасштабну кривизну, роблячи геометрію Всесвіту плоским або евклідовим. Доказ передбачає існування форми енергії, яка перешкоджає кластеризації галактик, яка гравітаційно відразлива і яка, можливо, зобов'язана частинці, яка відрізняється від інфлатону.
Космічна гармонія
Дані щодо реліктового випромінювання та наднових зірок дані узгоджено підтвердили, що джерелом космічного прискорення є темна енергія. Але це був лише початок. Комбінуючи прецизійні вимірювання МКФ, поліковані WMAP, з радіо, оптичним та рентгенівським зондуванням великомасштабних розподілів матерії астрофізики отримали подальші докази прискорення швидкості розширення Всесвіту. Виявилося, що гравітаційні потенційні ями щільності та ущільнення у Всесвіті були розтягнуті та згладжені згодом, начебто під впливом відразливої гравітації. Цей ефект відомий як інтегральний ефект (Sachs-Wolfe (ISW)). Він призводить до кореляції між температурною анізотропією в реліктовому випромінюванні та великомасштабній структурі Всесвіту. Хоча первинна плазма стала прозорою для фотонів, коли Всесвіт остигнув, фотони не мандрують безперешкодно. Космос вирішучений неоднорідностями, які сильні на малих відстанях (де матерія кластеризується у зірки, галактики та туманності) і поступово слабшає на великих масштабах довжини… Під час свого польоту фотони падають у гравітаційні ями та вибираються з них.
Після того як космічне випромінювання було вперше детектовано (близько 40 років тому) Сакс і Вольф показали, що потенціал, що змінюється в часі, повинен призводити до енергетичного зрушення МКФ фотонів, що проходять через нього. Фотон набуває енергії, коли падає в гравітаційну яму і витрачає її, коли вибирається з неї. Якщо потенціал став глибшим у процесі цього процесу, то, отже, фотон загалом втратить енергію. Якщо потенціал стане дрібнішим, фотон набуде енергії.
У Всесвіті, де повна критична щільність утворюється лише атомами і темною матерією, слабкі гравітаційні потенціали на дуже великих просторових масштабах (які відповідають плавним (gentle) хвилі щільності матерії) еволюціонують надто повільно, щоб залишити помітні сліди на МКФ фотонах. Більш щільні області просто захоплюють оточуючу речовину з тією самою швидкістю, з якою космічне розширення подовжує воли, залишаючи потенціал незмінним. Однак при більш швидкому розширенніВсесвіту, що зобов'язаний темній енергії, акреція матерії не може конкурувати з розтягуванням. Ефективно виходить, що гравітаційний колапс уповільнюється темною матерією, що відштовхує. Отже, гравітаційний потенціал має тенденцію до викладання і фотони набувають енергії при проходженні цих областей. Подібним чином фотони втрачають енергію, проходячи через області зниженої щільності. (Не тривіально!)
Негативний тиск
Найбільша загадка космічного прискорення полягає не в тому, що воно припускає, що 2/3 субстанції, що заповнює Всесвіт, ми не бачимо, а в тому, що воно нав'язує існування речовини з гравітаційним відштовхуванням. Щоб розглянути цю дивну властивість темної енергії, корисно ввести величину $w=((p)_(dark))/((\rho )_(dark))$. Цей вираз нагадує рівняння стану газу. У ОТО швидкість зміни космічного розширення пропорційна $-\left(((\rho )_(total))+3((p)_(total)) \right)$. Для прискореного розширення ця величина має бути позитивною. Оскільки $((\rho )_(total))$ позитивна, а середній тиск звичайної і темної матерії нехтує мало (бо вона холодна і нерелятивістська), ми приходимо до вимоги $3w\times ((\rho )_(dark ))+((\rho )_(total))
Чому тиск впливає розширення Всесвіту? Ейнштейн показав, що матерія та енергія викривляють простір-час. Тому для гарячого газу кінетична енергія його атомів дає внесок у їх гравітаційні силиЯк це було виміряно за допомогою вимірювання прискорення віддалених тіл. Однак сили, які потрібні для того, щоб утримати чи ізолювати газ, працюють проти цього надлишкового тиску. Всесвіт з іншого боку не є ні ізольованим, ні обмеженим. Розширення космосу, заповненого гарячим газом, ефективно відбуватиметься повільніше (за рахунок самогравітації), ніж розширення Всесвіту, заповненого холодним газом. За цією ж логікою, середовище з таким негативним тиском, що $((\rho)_(total))+3p
Негативний тиск не таке рідкісне явище. Тиск води в деяких високих деревстає негативним у міру того, як харчування піднімається по їх судинній системі. У однорідному електричному або магнітному полі також можна знайти конфігурації, які мають негативний тиск. У цих випадках тиск є щось схоже на розтягнуту пружину під напругою, спричиненою внутрішніми силами. На мікроскопічному рівні резервуар хіггсовських бозонів (гіпотетичних частинок, що генерують масу частинок у Стандартній Моделі) створює негативний тиск, коли його теплові або кінетичні збудження малі. Справді, інфлатон можна як важку версію хиггсовского бозона. Одна із запропонованих версій темної енергії – квінтесенція – може бути навіть легшою версією хіггсів.
В принципі, не існує нижньої межі тиску у Всесвіті. Хоча дивні речі відбуваються, якщо $w$ опускається до значення менше $-1.$ Ізольовані шматки такого матеріалу можуть мати негативну масу. …..Але одна річ очевидна. Такий сильний негативний тиск не має місця для нормальних частинок та полів у ВТО. Численні спостереження призводять до вужчого діапазону параметрів темної енергії, ніж ті, які випливають із наведених вище загальних міркувань.
Комбінація передбачень різних теоретичних моделейі кращих спостереженьреліктового випромінювання, великомасштабних структур і наднових зірок призводять до $$\Omega_(dark)= 0.728^(+0.015)_(-0.016)$$ $$w= -0.980\pm0.053 $$
Коротка історія темної енергії
Темна енергія, або щось подібне до неї, багато разів виникала в історії космології. Ящик Пандори відкрив Ейнштейн, який увів у свої рівняння гравітаційного поля. Космічне розширення тоді ще не було відкрито і рівняння правильно «підказували», що Всесвіт, що містить матерію, не може бути статичним без математичного доповнення – космологічного постійного, який прийнято позначати $Lambda$. Ефект еквівалентний заповненню Всесвіту морем негативної енергії, в якому дрейфують зірки та туманності. Відкриття розширення усунуло необхідність цього доповнення ad hoc теорії.
У наступні десятиліття відчайдушні теоретики періодично вводили $Lambda$ у спробі пояснити нові астрономічні явища. Ці повернення завжди були короткочасними і зазвичай закінчувалися більш правдоподібними поясненнями отриманих даних. Однак з 60-х років почала пробиватися ідея того, що вакуумна (нульова) енергія всіх частинок і полів повинна неминуче генерувати доданок, подібний до $Lambda$. Крім того, є підстави вважати, що космологічна стала могла природно виникнути на ранніх етапах еволюції Всесвіту.
У 1980 р. була розвинена теорія інфляції. У цій теорії ранній Всесвіт випробував період прискореного експоненційного розширення. Розширення було зобов'язане негативного тиску, Обов'язковому нової частинці – . Інфлатон виявився дуже успішним. Він дозволив багато. До цих парадоксів належать проблеми горизонту та площинності Всесвіту. Пророцтва теорії добре узгоджувалися різними космологічними спостереженнями.
Темна енергія та майбутнє Всесвіту
З відкриттям темної енергії сильно змінилися уявлення про те, яким може бути віддалене майбутнє нашого Всесвіту. До цього відкриття питання про майбутнє однозначно пов'язувалося з питанням про кривизну тривимірного простору. Якби, як багато хто раніше вважав, кривизна простору на 2/3 визначала сучасний темпрозширення Всесвіту, а темна енергія була відсутня, то Всесвіт розширювався б необмежено, поступово сповільнюючись. Тепер зрозуміло, що майбутнє визначається властивостями темної енергії.
Оскільки ми ці властивості знаємо зараз погано, передбачити майбутнє ми не можемо. Можна лише розглянути різні варіанти. Про те, що відбувається в теоріях з новою гравітацією, сказати важко, але інші сценарії можна обговорити вже зараз. Якщо темна енергія стала в часі, як у випадку енергії вакууму, то Всесвіт завжди відчуватиме прискорене розширення. Більшість галактик зрештою відійде від нашої на величезну відстань, і наша Галактика разом з небагатьма сусідами виявиться острівцем у порожнечі. Якщо темна енергія – квінтесенція, то в далекому майбутньому прискорене розширення може припинитися і навіть змінитись стисненням. У останньому випадкуВсесвіт повернеться в стан з гарячою та щільною матерією, відбудеться "Великий вибух навпаки", назад у часі.
Енергетичний бюджет нашого Всесвіту. Варто звернути увагу на те, що на частку звичної речовини (планети, зірки, весь навколишній світ) припадає всього 4 відсотки, решта становлять «темні» форми енергії.
Ще драматичніша доля чекає на Всесвіт, якщо темна енергія - фантом, причому такий, що його щільність енергії зростає необмежено. Розширення Всесвіту буде все більш і швидшим, воно настільки прискориться, що галактики будуть вирвані зі скупчень, зірки з галактик, планети з Сонячна система. Справа дійде до того, що електрони відірвуться від атомів, а атомні ядрарозділяться на протони та нейтрони. Відбудеться, як то кажуть, великий розрив.
Такий сценарій, однак, видається не дуже ймовірним. Швидше за все, щільність енергії фантома залишатиметься обмеженою. Але і тоді Всесвіт може очікувати на незвичайне майбутнє. Справа в тому, що в багатьох теоріях фантомна поведінка – зростання щільності енергії з часом – супроводжується нестійкостями. У такому разі фантомне поле у Всесвіті буде дуже неоднорідним, щільність його енергії в різних частинах Всесвіту буде різною, якісь частини будуть швидко розширюватися, а якісь, можливо, зазнають колапсу. Доля нашої Галактики залежатиме від того, до якої області вона потрапить.
Все це, втім, стосується майбутнього, віддаленого навіть за космологічними мірками. У найближчі 20 мільярдів років Всесвіт залишатиметься майже таким самим, як зараз. У нас є час для того, щоб розібратися у властивостях темної енергії і тим самим виразніше передбачити майбутнє – а можливо, і вплинути на нього.
Лише сто років тому вчені виявили, що наш світ стрімко збільшується в розмірах.
Ще сто років тому уявлення про Всесвіт базувалися на ньютонівській механіціта евклідової геометрії. Навіть деякі вчені, такі як Лобачевський і Гаус, допускали (тільки як гіпотезу!) фізичну реальністьнеевклідової геометрії, вважали космічний простір вічним та незмінним
У 1870 році англійський математик Вільям Кліффорд дійшов дуже глибокої думки, що простір може бути викривлено, причому неоднаково в різних точках, і що з часом його кривизна може змінюватися. Він навіть припускав, що такі зміни пов'язані з рухом матерії. Обидві ці ідеї через багато років стали основою загальної теорії відносності. Сам Кліффорд до цього не дожив – він помер від туберкульозу у віці 34 років за 11 днів до народження Альберта Ейнштейна.
Червоне усунення
Перші відомості про розширення Всесвіту надала астроспектрографія. У 1886 році англійський астроном Вільям Хаггінс зауважив, що довжини хвиль зоряного світла дещо зсунуті порівняно із земними спектрами тих самих елементів. Виходячи з формули оптичної версії ефекту Допплера, виведеної в 1848 французьким фізиком Арманом Фізо, можна обчислити величину радіальної швидкості зірки. Такі спостереження дозволяють відстежити рух космічного об'єкта.
Ще сто років тому уявлення про Всесвіт базувалися на ньютонівській механіці та евклідовій геометрії. Навіть небагато вчених, таких як Лобачевський і Гаусс, які допускали (тільки гіпотезу!) фізичну реальність неевклідової геометрії, вважали космічний простір вічним і незмінним. Через розширення Всесвіту судити про відстань до далеких галактик непросто. Світло, що дійшло через 13 млрд років від галактики A1689-zD1 в 3,35 млрд світлових років від нас (А), «червоніє» і слабшає в міру подолання простору, що розширюється, а сама галактика видаляється (B). Він нестиме інформацію про дистанцію в червоному зміщенні (13 млрд св. років), в кутовому розмірі (3,5 млрд св. років), в інтенсивності (263 млрд св. років), тоді як реальна відстань становить 30 млрд св. років.
Через чверть століття цю можливість по-новому використав співробітник обсерваторії у Флагстаффі в штаті Арізона Весто Слайфер, який з 1912 року вивчав спектри спіральних туманностей на 24-дюймовому телескопі з хорошим спектрографом. Для отримання якісного знімка одну й ту саму фотопластинку експонували кілька ночей, тому проект рухався повільно. З вересня по грудень 1913 Слайфер займався туманністю Андромеди і за допомогою формули Допплера-Фізо дійшов висновку, що вона щомиті наближається до Землі на 300 км.
В 1917 він опублікував дані про радіальні швидкості 25 туманностей, які показували значну асиметрію їх напрямків. Тільки чотири туманності наближалися до Сонця, інші тікали (і деякі дуже швидко).
Слайфер не прагнув слави і не пропагував свої результати. Тому вони стали відомі в астрономічних колах лише тоді, коли на них звернув увагу знаменитий британський астрофізик Артур Еддінгтон.
В 1924 він опублікував монографію з теорії відносності, куди включив перелік знайдених Слайфером радіальних швидкостей 41 туманності. Там була все та ж четвірка туманностей з блакитним зміщенням, тоді як у решти 37 спектральні лінії були зрушені в червоний бік. Їхні радіальні швидкості варіювали в межах 150 - 1800 км/с і в середньому в 25 разів перевищували відомі на той час швидкості зірок Чумацького Шляху. Це наводило на думку, що туманності беруть участь в інших рухах, ніж «класичні» світила.
Космічні острови
На початку 1920-х років більшість астрономів вважали, що спіральні туманності розташовані на периферії Чумацького Шляху, а за його межами вже немає нічого, окрім порожнього темного простору. Щоправда, ще у XVIII столітті деякі вчені бачили у туманностях гігантські зоряні скупчення (Іммануїл Кант назвав їх острівними всесвітами). Однак ця гіпотеза не мала популярності, оскільки достовірно визначити відстані до туманностей ніяк не виходило.
Це завдання вирішив Едвін Хаббл, який працював на 100-дюймовому телескопі-рефлектор каліфорнійської обсерваторії Маунт-Вілсон. У 1923—1924 роках він виявив, що туманність Андромеди складається з безлічі об'єктів, що світяться, серед яких є змінні зірки сімейства цефеїд. Тоді вже було відомо, що період зміни їхнього видимого блиску пов'язаний з абсолютною світністюі тому цефеїди придатні для калібрування космічних дистанцій. З них допомогою Хабблоцінив відстань до Андромеди на 285 000 парсек (за сучасними даними, вона становить 800 000 парсек). Діаметр Чумацького Шляху тоді вважали приблизно рівним 100 000 парсек (насправді він утричі менший). Звідси випливало, що Андромеду і Чумацький Шлях слід вважати незалежними зоряними скупченнями. Незабаром Хабл ідентифікував ще дві самостійні галактики, чим остаточно підтвердив гіпотезу «острівних всесвітів».
Задля справедливості варто зазначити, що за два роки до Хаббла відстань до Андромеди вирахував естонський астроном Ернст Опік, чий результат — 450000 парсек — був ближчим до правильного. Однак він використовував ряд теоретичних міркувань, які не були такими ж переконливими, як прямі спостереження Хаббла.
До 1926 року Хаббл провів статистичний аналізспостережень чотирьох сотень «позагалактичних туманностей» (цім терміном він користувався ще довго, уникаючи називати їх галактиками) і запропонував формулу, що дозволяє пов'язати відстань до туманності з її видимою яскравістю. Незважаючи на величезні похибки цього методу, нові дані підтверджували, що туманності розподілені в просторі більш менш рівномірно і знаходяться далеко за межами Чумацького Шляху. Тепер уже не доводилося сумніватися, що космос не замикається на нашій Галактиці та її найближчих сусідах.
Модельєри космосу
Еддінгтон зацікавився результатами Слайфера ще остаточне з'ясування природи спіральних туманностей. До цього часу вже існувала космологічна модель, яка в певному сенсі передбачала ефект, виявлений Слайфером. Еддінгтон багато міркував про неї і, природно, не прогав нагоди надати спостереженням аризонського астронома космологічне звучання.
Сучасна теоретична космологія розпочалася у 1917 році двома революційними статтями, що представили моделі Всесвіту, побудовані на основі загальної теорії відносності. Одну з них написав сам Ейнштейн, іншу голландський астроном Віллем де Сіттер.
Закони Хаббла
Едвін Хаббл емпірично виявив зразкову пропорційність червоних зсувів і галактичних дистанцій, яку він за допомогою формули Допплера-Фізо перетворив на пропорційність між швидкостями та відстанями. Отже, ми маємо тут справу з двома різними закономірностями.
Хаббл не знав, як вони пов'язані один з одним, але що про це говорить сьогоднішня наука?
Як показав ще Леметр, лінійна кореляція між космологічними (викликаними розширенням Всесвіту) червоними зміщеннями та дистанціями аж ніяк не абсолютна. Насправді вона добре дотримується лише зсувів, менших 0,1. Так що емпіричний закон Хаббла не точний, а наближений, та й формула Допплера-Фізо справедлива лише для невеликих зсувів спектра.
А ось теоретичний закон, що зв'язує радіальну швидкість далеких об'єктів з відстанню до них (з коефіцієнтом пропорційності у вигляді параметра Хаббла V = Hd), справедливий для будь-яких червоних зсувів. Однак швидкість V, що фігурує в ньому, — зовсім не швидкість фізичних сигналів або реальних тілу фізичному просторі. Це швидкість зростання дистанцій між галактиками та галактичними скупченнями, що зумовлено розширенням Всесвіту. Ми б змогли її виміряти тільки в тому випадку, якщо могли б зупиняти розширення Всесвіту, миттєво простягати мірні стрічки між галактиками, зчитувати відстані між ними і ділити їх на проміжки часу між вимірами. Звичайно, закони фізики цього не дозволяють. Тому космологи вважають за краще використовувати параметр Хаббла H в іншій формулі, де фігурує масштабний фактор Всесвіту, який якраз і описує ступінь її розширення в різні космічні епохи (оскільки цей параметр змінюється з часом, його сучасне значенняпозначають H0). Всесвіт зараз розширюється з прискоренням, тож величина хабловского параметра зростає.
Вимірюючи космологічні червоні усунення, ми отримуємо інформацію про ступінь розширення простору. Світло галактики, що прийшло до нас з космологічним червоним усуненням z, залишило її, коли всі космологічні дистанції були в 1+z разів меншими, ніж у нашу епоху. Отримати про цю галактику додаткові відомості, такі як нинішня дистанція або швидкість віддалення від Чумацького Шляху, можна лише за допомогою конкретної космологічної моделі. Наприклад, у моделі Ейнштейна - де Сіттера галактика з z = 5 віддаляється від нас зі швидкістю, що дорівнює 1,1 с (швидкості світла). А от якщо зробити поширену помилку і просто зрівняти V/c і z, то ця швидкість виявиться вп'ятеро більшою за світлову. Розбіжність, як бачимо, неабияка.
Залежність швидкості далеких об'єктів від червоного усунення відповідно до СТО, ОТО (залежить від моделі та часу, крива показує теперішній час та поточну модель). При малих усуненнях залежність лінійна.
Ейнштейн у дусі часу вважав, що Всесвіт як ціле статичний (він намагався зробити його ще й нескінченним у просторі, але не зміг знайти коректні граничні умовидля своїх рівнянь). У результаті він побудував модель замкнутого Всесвіту, простір якого має постійну позитивну кривизну (і тому вона має постійний кінцевий радіус). Час у цьому Всесвіті, навпаки, тече по-ньютонівськи, в одному напрямку і з однаковою швидкістю. Простір-час цієї моделі викривлений за рахунок просторової компоненти, тоді як тимчасова не деформована. Статичність цього світу забезпечує спеціальний «вкладиш» в основне рівняння, що перешкоджає гравітаційному схлопыванию і цим діє як всюдисуще антигравітаційне поле. Його інтенсивність пропорційна особливій константі, яку Ейнштейн назвав універсальною (зараз її називають космологічною постійною).
Космологічна модель Леметра, яка описує розширення Всесвіту, набагато випередила свій час. Всесвіт леметра починається з Великого вибуху, після якого розширення спочатку сповільнюється, а потім починає прискорюватися.
Ейнштейнівська модель дозволила обчислити розмір Всесвіту, загальну кількість матерії та навіть значення космологічної постійної. Для цього потрібна лише середня щільність космічної речовини, Яку, в принципі, можна визначити зі спостережень. Невипадково цією моделлю захоплювався Еддінгтон і використав практично Хаббл. Однак її губить нестійкість, яку Ейнштейн просто не помітив: за найменшого відхилення радіусу від рівноважного значення ейнштейнівський світ або розширюється, або зазнає гравітаційного колапсу. Тому до реального Всесвіту така модель не має відношення.
Порожній світ
Де Сіттер теж збудував, як він сам вважав, статичний світ постійної кривизни, але не позитивної, а негативної. У ньому присутня ейнштейнівська космологічна константа, проте повністю відсутня матерія. При введенні пробних частинок скільки завгодно малої маси вони розбігаються і йдуть у нескінченність. Крім того, час на периферії всесвіту де Сіттера тече повільніше, ніж у її центрі. Через це з великих відстаней світлові хвилі приходять із червоним усуненням, навіть якщо їхнє джерело нерухоме щодо спостерігача. Тому в 1920-і роки Еддінгтон та інші астрономи запитали: чи не має модель де Сіттера чогось спільного з реальністю, відображеною в спостереженнях Слайфера?
Ці підозри підтвердилися, хоч і в іншому плані. Статичність всесвіту де Сіттера виявилася уявною, оскільки була пов'язана з невдалим вибором координатної системи. Після виправлення цієї помилки простір де Сіттера виявився плоским, евклідовим, але нестатичним. Завдяки антигравітаційній космологічній константі воно розширюється, зберігаючи при цьому нульову кривизну. Через це розширення довжини хвиль фотонів зростають, як і тягне у себе передбачений де Ситтером зсув спектральних ліній. Варто зазначити, що саме так сьогодні пояснюють космологічне червоне усунення далеких галактик.
Від статистики до динаміки
Історія відкрито нестатичних космологічних теорій починається із двох робіт радянського фізикаОлександра Фрідмана, опублікованих у німецькому журналі Zeitschrift fur Physik у 1922 та 1924 роках. Фрідман прорахував моделі всесвітів із змінною у часі позитивною та негативною кривизною, які стали золотим фондом теоретичної космології. Однак сучасники ці роботи майже не помітили (Ейнштейн спочатку навіть вважав першу статтю Фрідмана математично помилковою). Сам Фрідман вважав, що астрономія ще має арсеналом спостережень, що дозволяє вирішити, яка з космологічних моделей більше відповідає реальності, і тому обмежився чистою математикою. Можливо, він діяв би інакше, якби ознайомився із результатами Слайфера, проте цього не сталося.
Інакше мислив найбільший космолог у першій половині ХХ століття Жорж Леметр. На батьківщині, в Бельгії, він захистив дисертацію з математики, а потім у середині 1920-х вивчав астрономію - в Кембриджі під керівництвом Еддінгтона і в Гарвардській обсерваторії у Харлоу Шеплі (під час перебування в США, де він підготував другу дисертацію в М познайомився зі Слайфером та Хабблом). Ще в 1925 році Леметр вперше вдалося показати, що статичність моделі де Сіттера уявна. Після повернення на батьківщину як професор Лувенського університету Леметр побудував першу модель всесвіту, що розширюється, що має чітке астрономічне обґрунтування. Без перебільшення, ця робота стала революційним проривом у науці про космос.
Всесвітня революція
У своїй моделі Леметр зберіг космологічну константу з чисельним ейнштейнівським значенням. Тому його всесвіт починається статичним станом, але згодом через флуктуації вступає на шлях постійного розширення зі зростаючою швидкістю. На цій стадії вона зберігає позитивну кривизну, яка зменшується зі зростанням радіусу. Леметр включив до складу свого всесвіту не лише речовину, а й електромагнітне випромінювання. Цього не зробили ні Ейнштейн, ні де Сіттер, чиї роботи були відомі Леметру, ні Фрідман, про якого він тоді нічого не знав.
Супутні координати
У космологічних обчисленнях зручно користуватися супутніми координатними системами, які розширюються в унісон із розширенням Всесвіту. В ідеалізованій моделі, де галактики та галактичні кластери не беруть участь у жодних власних рухах, їх супутні координати не змінюються. А ось дистанція між двома об'єктами в даний момент часу дорівнює їхній постійній дистанції в супутніх координатах, помноженої на величину масштабного фактора для цього моменту. Таку ситуацію легко проілюструвати на надувному глобусі: широта та довгота кожної точки не змінюються, а відстань між будь-якою парою точок збільшується зі зростанням радіусу.
Використання супутніх координат допомагає усвідомити глибокі відмінності між космологією Всесвіту, що розширюється, спеціальною теорією відносності і ньютонівською фізикою. Так, у ньютонівській механіці всі рухи відносні, і абсолютна нерухомість не має фізичного сенсу. Навпаки, у космології нерухомість у супутніх координатах абсолютна й у принципі може бути підтверджена спостереженнями. Спеціальна теорія відносності описує процеси у просторі-часі, з якого можна за допомогою перетворень Лоренца нескінченним числомспособів відокремлювати просторові та часові компоненти. Космологічне простір-час, навпаки, природно розпадається на викривлений простір, що розширюється, і єдиний космічний час. При цьому швидкість розбігання далеких галактик може багаторазово перевищувати швидкість світла.
Леметр ще в США припустив, що червоні усунення далеких галактик виникають через розширення простору, який «розтягує» світлові хвилі. Тепер же він довів це математично. Він також продемонстрував, що невеликі (багато менші одиниці) червоні усунення пропорційні відстаням до джерела світла, причому коефіцієнт пропорційності залежить тільки від часу та несе інформацію про поточний темп розширення Всесвіту. Оскільки з формули Допплера-Фізо випливало, що радіальна швидкість галактики пропорційна червоному зміщенню, Леметр дійшов висновку, що ця швидкість також пропорційна її віддаленості. Проаналізувавши швидкості та дистанції 42 галактик зі списку Хаббла та взявши до уваги внутрішньогалактичну швидкість Сонця, він встановив значення коефіцієнтів пропорційності.
Непомічена робота
Свою роботу Леметр опублікував у 1927 році на французькою мовоюу малочитаному журналі «Аннали Брюссельського наукового товариства». Вважають, що це спричинило основну причину, через яку вона спочатку залишилася практично непоміченою (навіть його вчителем Еддінгтоном). Щоправда, восени того ж року Леметр зміг обговорити свої висновки з Ейнштейном і дізнався від нього про результати Фрідмана. У творця ОТО не було технічних заперечень, проте він рішуче не повірив у фізичну реальність леметрівської моделі (подібно до того, як раніше не прийняв фридманівські висновки).
Графіки Хаббла
Тим часом наприкінці 1920-х років Хаббл і Хьюмасон виявили лінійну кореляцію між відстанями до 24 галактик та їх радіальними швидкостями, обчисленими (переважно ще Слайфером) по червоним усуненням. Хаббл зробив з цього висновок про пряму пропорційність радіальної швидкості галактики відстані до неї. Коефіцієнт цієї пропорційності зараз позначають H0 і називають параметром Хаббла (за останніми даними, він трохи перевищує 70 (км/с)/мегапарсек).
Статтю Хаббла з графіком лінійної залежності між галактичними швидкостями та дистанціями було опубліковано на початку 1929 року. Роком раніше молодий американський математик Хауард Робертсон слідом за Леметром вивів цю залежність з моделі Всесвіту, що розширюється, про що Хаббл, можливо, знав. Однак у знаменитій статті ця модель ні прямо, ні опосередковано не згадувалася. Пізніше Хаббл висловлював сумніви, що фігуруючі у його формулі швидкості реально описують рухи галактик у космічному просторі, проте завжди утримувався від їхньої конкретної інтерпретації. Сенс свого відкриття він бачив у демонстрації пропорційності галактичних відстаней та червоних зміщень, решту надавав теоретикам. Тому при всій повазі до Хаббл вважати його першовідкривачем розширення Всесвіту немає жодних підстав.
І все-таки вона розширюється!
Проте Хаббл підготував ґрунт для визнання розширення Всесвіту та моделі Леметра. Вже 1930 року їй віддали належне такі метри космології, як Еддінгтон і де Сіттер; Дещо пізніше вчені помітили і гідно оцінили роботи Фрідмана. 1931 року з подачі Еддінгтона Леметр переклав на англійську свою статтю (з невеликими купюрами) для «Щомісячних звісток Королівського астрономічного товариства». У цьому ж році Ейнштейн погодився з висновками Леметра, а роком пізніше спільно з де Сіттером побудував модель Всесвіту, що розширюється, з плоским простором і викривленим часом. Ця модель через свою простоту довгий час була дуже популярною серед космологів.
У тому ж 1931 році Леметр опублікував короткий (і без будь-якої математики) опис ще однієї моделі Всесвіту, що поєднувала в собі космологію та квантову механіку. У цій моделі початковим моментом виступає вибух первинного атома (Леметр також називав його квантом), що породив і простір, і час. Оскільки тяжіння гальмує розширення новонародженого Всесвіту, його швидкість зменшується - не виключено, що майже до нуля. Пізніше Леметр ввів у свою модель космологічну постійну, що змусила Всесвіт з часом перейти в стійкий режим розширення, що прискорюється. Тож він передбачив ідею Великого вибуху, і сучасні космологічні моделі, що враховують присутність темної енергії. А в 1933 році він ототожнив космологічну постійну із щільністю енергії вакууму, про що до того ніхто ще не здогадався. Просто дивно, наскільки цей вчений, безумовно гідний титулу першовідкривача розширення Всесвіту, випередив свій час!
Наше Сонце та найближчі до нього зірки становлять частину великого зоряного скупчення, званого нашою Галактикою, або Чумацьким Шляхом. Довгий час вважалося, що це і є весь Всесвіт. І лише 1924 р. американський астроном Едвін Хаббл показав, що наша Галактика не єдина. Існує багато інших галактик, розділених гігантськими ділянками порожнього простору. Щоб довести це, Хаблу довелося виміряти відстані до інших галактик. Ми можемо визначати відстані до найближчих зірок, фіксуючи зміни їхнього становища на небесному склепіння в міру навернення Землі навколо Сонця. Але, на відміну від ближніх зірок, інші галактики є настільки далеко, що виглядають нерухомими. Тому Хабл змушений був використовувати непрямі методи вимірювання відстаней.
В даний час видима яскравість зірок залежить від двох факторів – фактичної світності та віддаленості від Землі. Для найближчих зірок ми можемо виміряти і видиму яскравість, і відстань, що дозволяє обчислити їхню світність. І навпаки, знаючи світність зірок в інших галактиках, ми можемо обчислити відстань до них, вимірявши їхню яскравість. Хаббл стверджував, що певні типи зірок завжди мають ту саму світність у тих випадках, коли вони розташовані від нас на досить близьких відстанях, що дозволяють провести вимірювання. Виявивши подібні зірки в іншій галактиці, ми можемо припускати, що вони мають ту ж світність. Це дозволить нам вирахувати відстані до іншої галактики. Якщо ми зробимо це для кількох зірок у якійсь галактиці та отримані значення збігатимуться, то можна бути цілком впевненим у отриманих нами результатах. Подібним чиномЕдвін Хаббл зумів вирахувати відстані до дев'яти різних галактик.
Сьогодні ми знаємо, що наша Галактика лише одна з кількох сотень мільярдів галактик, що спостерігаються в сучасні телескопи, кожна з яких може містити сотні мільярдів зірок. Ми живемо в Галактиці, діаметр якої близько ста тисяч світлових років. Вона повільно обертається, і зірки в її спіральних рукавах роблять приблизно один оберт навколо її центру за сто мільйонів років. Наше Сонце є звичайнісінькою, середніх розмірів жовту зіркупоблизу зовнішнього краю одного із спіральних рукавів. Безперечно, ми пройшли довгий шлях з часів Аристотеля та Птолемея, коли Земля вважалася центром Всесвіту.
Зірки такі далекі від нас, що здаються лише крихітними точками, що світяться. Ми не можемо розрізнити їх розмір чи форму. Яким чином учені їх класифікують? Для переважної більшості зірок надійно визначається лише один параметр, який можна спостерігати, - колір їх
випромінювання. Ньютон виявив, що пропущене через призму сонячне світло розпадається на його набір кольорів (спектр), такий, як у веселки. Сфокусувавши телескоп на певній зірці або галактиці можна спостерігати спектр світла даного об'єкта. Різні зірки мають різні спектри, але відносна яскравість окремих кольорів спектра практично завжди відповідає тій, яку можна виявити в світінні сильно розпечених об'єктів. Це дозволяє спектру зірки обчислити її температуру. Більш того, у спектрі зірки можна виявити відсутність деяких специфічних кольорів, причому ці кольори у кожної зірки свої. Відомо, що кожен хімічний елемент поглинає характерний для нього набір кольорів. Таким чином, виявляючи лінії, які відсутні у спектрі випромінювання зірки, ми можемо точно визначати, які хімічні елементи містяться у її зовнішньому шарі.
Приступивши у 1920-х роках. до дослідження спектрів зірок в інших галактиках, астрономи виявили разючий факт: в них був відсутній той самий набір колірних ліній, що й у зірок нашої Галактики, але всі лінії були зміщені на однакову величину у напрямку червоної частини спектру. Єдине розумне пояснення полягало в тому, що галактики віддаляються від нас і це викликає зниження частоти світлових хвиль (так зване червоне усунення) внаслідок ефекту Доплера.
Дослухайтеся до шуму машин на шосе. У міру того як автомобіль наближається до вас, звук його двигуна стає все вищим за частотою звукових хвиль і робиться нижче, коли машина видаляється. Те саме відбувається і зі світловими чи радіохвилями. Дійсно, ефектом Доплера користується дорожня поліція, визначаючи швидкість автомобіля по зміні частоти радіосигналу, що посилається і приймається (зсув частоти при цьому залежить від швидкості відбиває об'єкта, тобто автомобіля).
Після того, як Хаббл відкрив існування інших галактик, він зайнявся складанням каталогу відстаней до них та спостереженнями їх спектрів. У той час багато хто вважав, що галактики рухаються абсолютно хаотично і, отже, в однаковій кількості їх повинні виявлятися спектри, що мають як червоне усунення, так і синє. Яким же був загальний подив, коли виявилося, що всі галактики демонструють червоне зміщення. Кожна з них віддаляється від нас. Ще більш разючими виявилися результати, опубліковані Хабблом в 1929 р.: навіть величина червоного зміщення у кожної з галактик не випадкова, але пропорційна відстані між галактикою та Сонячною системою. Іншими словами, що далі від нас галактика, то швидше вона віддаляється.
Це означало, що Всесвіт ніяк не може бути стаціонарним, як заведено було думати раніше, насправді він розширюється. Відстані між галактиками постійно зростають. Відкриття того, що Всесвіт розширюється, стало однією з головних інтелектуальних революцій XX ст. Озираючись у минуле, легко дивуватися, чому ніхто не додумався раніше. Ньютону та іншим слід було б зрозуміти, що стаціонарний Всесвіт швидко зхлопнувся б під впливом тяжіння. Але уявіть, що Всесвіт не стаціонарний, а розширюється. При малих швидкостях розширення сила тяжіння рано чи пізно зупинила його і поклала початок стиску. Однак якби швидкість розширення перевищувала деяке критичне значення, то сили тяжіння було б недостатньо, щоб його зупинити і Всесвіт розширювався б вічно. Щось подібне відбувається під час запуску ракети
з Землі. Якщо ракета не розвине потрібної швидкості, сила тяжіння зупинить її і почне падати назад. З іншого боку, при швидкості вище деякої критичної величини (близько 11,2 км/с) сили тяжіння не зможуть утримувати ракету біля Землі, і вона буде вічно віддалятися від нашої планети.
Подібну поведінку Всесвіту можна було передбачити на основі ньютоновського закону всесвітнього тяжінняще XIX в., і XVIII в., навіть у кінці XVII в. Однак віра в стаціонарний Всесвіт була настільки непорушною, що протрималася до початку XX століття. Сам Ейнштейн 1915 р., коли він сформулював загальну теорію відносності, зберігав переконаність у стаціонарності Всесвіту. Не в змозі розлучитися з цією ідеєю, він навіть модифікував свою теорію, ввівши в рівняння так звану космологічну постійну. Ця величина характеризувала певну силу антигравітації, на відміну всіх інших фізичних сил не що з конкретного джерела, а «вбудовану» в саму тканину простору-часу. Космологічна постійна надавала простору-часу внутрішньо властиву тенденцію до розширення, і це могло бути зроблено для врівноваження взаємного тяжіння всієї присутньої у Всесвіті матерії, тобто заради стаціонарності Всесвіту. Схоже, в ті роки лише одна людина готова була прийняти загальну теорію відносності за чисту монету. Поки Ейнштейн та інші фізики шукали шлях, що дозволяє обійти нестаціонарність Всесвіту, який випливав із загальної теорії відносності, російський фізикОлександр Фрідман натомість запропонував своє пояснення.
МОДЕЛІ ФРІДМАНУ
Рівняння загальної теорії відносності, що описують еволюцію Всесвіту, надто складні, щоб вирішити їх у деталях.
А тому Фрідман запропонував натомість прийняти два простих припущення:
(1) Всесвіт виглядає абсолютно однаково в усіх напрямках;
(2) це умова справедливо всім її точок.
На основі загальної теорії відносності та цих двох простих припущень Фрідману вдалося показати, що ми не повинні чекати від Всесвіту стаціонарності. Насправді він у 1922 р. точно передбачив те, що Едвін Хаббл відкрив кілька років по тому.
Припущення про те, що Всесвіт виглядає однаковим у всіх напрямках, звичайно ж, не зовсім відповідає реальності. Наприклад, зірки нашої Галактики складають на нічному небі чітко видиму смугу, що світиться, звану Чумацьким Шляхом. Але якщо ми звернемо свій погляд на далекі галактики, число їх, що спостерігається в різних напрямках, виявиться приблизно однаковим. Так що Вселенна, схоже, порівняно однорідна у всіх напрямках, якщо розглядати її в космічних масштабах, порівнянних з відстанями між галактиками.
Довгий час це вважалося достатнім обґрунтуванням припущення Фрідмана – грубим наближенням до реального Всесвіту. Однак порівняно недавно щасливий випадокдовів, що припущення Фрідмана описує наш світ із чудовою точністю. У 1965 р. американські фізики Арно Пензіас і Роберт Вілсон працювали в лабораторії фірми «Белл» у штаті Нью-Джерсі над надчутливим приймачем мікрохвильового випромінювання для зв'язку з орбітальними. штучними супутниками. Їх сильно турбувало, що приймач уловлює більше шуму, ніж слід було б, і що цей шум не виходить з якогось певного напрямку. Пошук причини шуму вони почали з того, що очистили свою велику рупорну антену від пташиного посліду, що скупчився всередині, і виключили можливі несправності. Їм було відомо, що будь-який шум атмосферного походження посилюється, коли антена спрямована не строго вертикально догори, тому що атмосфера виглядає товщою, якщо дивитися під кутом до вертикалі.
Додатковий шум залишався однаковим незалежно від цього, у якому напрямі повертали антену, тому джерело шуму мав перебувати поза атмосфери. Шум залишався незмінним і вдень і вночі протягом усього року, незважаючи на обертання Землі навколо її осі та обертання навколо Сонця. Це вказувало, що джерело випромінювання знаходиться за межами Сонячної системи і навіть поза нашою Галактикою, інакше інтенсивність сигналу змінювалася б у міру того, як відповідно до руху Землі антена виявлялася у різних напрямках.
Справді, ми тепер знаємо, що випромінювання на шляху до нас мало перетнути весь доступний для огляду Всесвіт. Якщо воно однаково в різних напрямках, то і Всесвіт повинен бути однорідним у всіх напрямках (принаймні, у великих масштабах). Нам відомо, що в якому напрямі ми не звернули б свій погляд, коливання «фонового шуму» космічного випромінюванняне перевищують 1/10 000. Так що Пензіас та Вілсон випадково натрапили на вражаюче точне підтвердження першого припущення Фрідмана.
Приблизно водночас два інші американські фізики з розташованого неподалік, у тому ж штаті Нью-Джерсі, Прінстонського університету, Боб Дік і Джим Піблс, теж зацікавилися космічним мікрохвильовим випромінюванням. Вони працювали над гіпотезою Джорджа (Георгія) Гамова, який колись був студентом Олександра Фрідмана, про те, що на ранній стадії розвитку Всесвіт був виключно щільним і гарячим, нагрітим до «білого жару». Дік і Піблс дійшли висновку, що ми все ще можемо спостерігати її минуле світіння, оскільки світло з найдальших частин раннього Всесвіту тільки-но досягає Землі. Проте внаслідок розширення Всесвіту це світло, мабуть, зазнало настільки великого червоного усунення, що тепер має сприйматися нами у вигляді мікрохвильового випромінювання. Дік і Піблс саме вели пошуки такого випромінювання, коли Пензіас і Вілсон, почувши про їхню роботу, зрозуміли, що вже знайшли шукане. За це відкриття Пензіас та Вілсон були удостоєні Нобелівської преміїз фізики 1978 р., що здається дещо несправедливим по відношенню до Діка та Піблса.
На перший погляд ці докази того, що Всесвіт виглядає однаково в усіх напрямках, змушують припустити, що Земля займає якесь особливе місцеу Всесвіті. Наприклад, можна уявити, що коли всі галактики віддаляються від нас, ми знаходимося в самому центрі космосу. Є, однак, альтернативне пояснення: Всесвіт може виглядати однаково в усіх напрямках і будь-якої іншої галактики. Таке, як згадувалося, було друге припущення Фрідмана.
У нас немає жодних доказів, які б підтверджували або спростовували це припущення. Ми приймаємо його на віру лише зі скромності. Було б у вищого ступенядивно, якби Всесвіт виглядав однаковим у всіх напрямках навколо нас, але не навколо будь-якої іншої точки. У моделі Фрідмана всі галактики віддаляються одна від одної. Уявіть повітряна кулька, на поверхні якого намальовані цятки. При надуванні кульки відстань між будь-якими двома цятками збільшується, проте жодна з них не можна називати центром розширення. Більше того, чим далі розходяться цятки, тим швидше вони віддаляються один від одного. Подібним чином моделі Фрідмана швидкість розбігання будь-яких двох галактик пропорційна відстані між ними. Звідси випливає, що величина червоного усунення галактик має бути прямо пропорційна їх віддаленості від Землі, як і виявив Хаббл.
Незважаючи на те, що модель Фрідмана була вдалою і виявилася відповідною результатам спостережень Хаббла, вона тривалий час залишалася майже невідомою на Заході. Про неї дізналися лише після того, як у 1935 р. американський фізик Говард Робертсон та англійський математик Артур Вокер розробили подібні моделі для пояснення відкритого Хабблом однорідного розширення Всесвіту.
Хоча Фрідман запропонував лише одну модель, на основі двох його фундаментальних припущень можна побудувати три різні моделі. У першій із них (саме її і сформулював Фрідман) розширення відбувається настільки повільно, що гравітаційне тяжіння між галактиками поступово ще більше уповільнює його, а потім і зупиняє. Галактики тоді починають рухатися одна до одної, і Всесвіт стискується. Відстань між двома сусідніми галактиками спочатку зростає від нуля до деякого максимуму, а потім знову зменшується до нуля.
У другому рішенні швидкість розширення настільки велика, що тяжіння ніколи не може його зупинити, хоч і дещо сповільнює. Поділ сусідніх галактик у цій моделі починається з нульової відстані, а потім вони розбігаються із постійною швидкістю. Нарешті, існує третє рішення, в якому швидкість розширення Всесвіту достатня лише для того, щоб запобігти зворотному стиску або колапсу. У цьому випадку поділ починається з нуля і зростає нескінченно. Однак швидкість розльоту постійно зменшується, хоч і ніколи не досягає нуля.
Чудовою особливістю першого типу моделі Фрідмана є те, що Всесвіт не нескінченний у просторі, але простір не має меж. Гравітація в цьому випадку настільки сильна, що простір викривляється, замикаючись сам на себе на зразок поверхні Землі. Мандрівник земною поверхнею в одному напрямку ніколи не зустрічає непереборної перешкоди і не ризикує впасти з «краю Землі», а просто повертається у вихідну точку. Такий простір у першій моделі Фрідмана, але замість властивих земної поверхні двох вимірів він має три. Четвертий вимір - час - має кінцеву довжину, але його можна уподібнити лінії з двома краями або межами, початком і кінцем. Далі ми покажемо, що комбінація положень загальної теорії відносності та принципу невизначеності квантової механіки допускає кінцівку простору та часу за одночасної відсутності в них якихось меж чи кордонів. Ідея про космічного мандрівника, який обігнув Всесвіт і повернувся у вихідну точку, хороша для фантастичних оповідань, проте не має практичної цінності, оскільки - і це можна довести - Всесвіт скоротиться до нульових розмірів, перш ніж мандрівник повернеться до старту. Для того щоб встигнути повернутися в початкову точку раніше, ніж Всесвіт перестане існувати, цей бідолаха повинен переміщатися швидше за світло, чого, на жаль, не допускають відомі нам закони природи.
Яка ж модель Фрідмана відповідає нашому Всесвіту? Чи зупиниться розширення Всесвіту, поступившись місцем стиску, чи триватиме вічно? Щоб відповісти на це питання, нам необхідно знати швидкість розширення Всесвіту та його середню густину в даний час. Якщо ця щільність менша від деякого критичного значення, що визначається швидкістю розширення, гравітаційне тяжіння буде занадто слабким для того, щоб зупинити розбігання галактик. Якщо щільність більше критичного значення, гравітація рано чи пізно зупинить розширення і почнеться зворотне стиск.
Ми можемо визначити поточну швидкість розширення шляхом вимірювання швидкостей, з якими інші галактики віддаляються від нас, використовуючи ефект Доплера. Це можна зробити з високою точністю. Однак відстані до галактик відомі не дуже добре, оскільки ми вимірюємо їх непрямими методами. Нам відомо одне: Всесвіт розширюється приблизно на 5-10% за кожний мільярд років. Втім, наші оцінки нинішньої густини речовини у Всесвіті грішать ще більшою невизначеністю.
Якщо ми підсумовуємо масу всіх видимих нам зірок нашої та інших галактик, підсумок буде менше однієї сотої того значення, яке необхідне для зупинення розширення Всесвіту навіть за найнижчої його швидкості. Втім, нам відомо, що в нашій та інших галактиках міститься велика кількість темної матерії, яку ми не можемо спостерігати безпосередньо, вплив якої проте виявляється через її гравітаційний вплив на орбіти зірок і галактичний газ. Більш того, більшість галактик утворюють гігантські скупчення, і можна припустити присутність ще більшої кількості темної матерії між галактиками в цих скупченнях за тим ефектом, який вона надає руху галактик. Але навіть додавши всю цю темну матерію, ми отримаємо одну десяту того, що необхідно для зупинки розширення. Втім, можливо, існують інші, доки виявлені нами форми матерії, які б підняти середню щільність Всесвіту до критичного значення, здатного зупинити розширення.
Таким чином, існуюче свідчення передбачає, що Всесвіт, мабуть, розширюватиметься вічно. Але не варто робити ставку на це. Ми можемо бути впевнені лише в тому, що якщо Всесвіту судилося зхлопнутися, станеться це не раніше, ніж через десятки мільярдів років, оскільки розширювався він як мінімум протягом такого ж тимчасового проміжку. Так що не варто турбуватися раніше терміну. Якщо ми не зможемо розселитися за межами Сонячної системи, людство загине задовго до того разом із нашою зіркою, Сонцем.
ВЕЛИКИЙ ВИБУХ
Характерною рисою всіх рішень, що випливають з моделі Фрідмана, є те, що відповідно до них у далекому минулому, 10 або 20 млрд років тому, відстань між сусідніми галактиками у Всесвіті мала дорівнювати нулю. У цей момент часу, який отримав назву Великого Вибуху, щільність Всесвіту і кривизна простору-часу були нескінченно більшими. Це означає, що загальна теорія відносності, на якій засновані всі рішення моделі Фрідмана, передбачає існування у Всесвіті особливої, сингулярної точки.
Усі наші наукові теоріїпобудовані на припущенні, що простір-час є гладким і майже плоским, тому всі вони розбиваються про специфічність (сингулярність) Великого Вибуху, де кривизна простору-часу нескінченна. Це означає, що якщо якісь події і відбувалися до Великого Вибуху, їх не можна використовувати для встановлення того, що відбувалося після того, що будь-яка передбачуваність у момент Великого Вибуху була порушена. Відповідно, знаючи лише те, що відбувалося після Великого Вибуху, ми не можемо з'ясувати, що відбувалося до нього. Щодо нас усі події до Великого Вибуху не мають жодних наслідків, а тому не можуть бути частиною наукової моделі Всесвіту. Ми повинні виключити їх з моделі та сказати, що час мав початок Великий Вибух.
Багатьом не подобається ідея, що час має початок, мабуть, тому, що вона віддає божественним втручанням. (З іншого боку, Католицька церква вхопилася за модель Великого Вибуху і в 1951 р. офіційно проголосила, що ця модель відповідає Біблії.) Робилися спроби уникнути висновку, що Великий Вибух взагалі був. Найширшу підтримку отримала теорія стаціонарного Всесвіту. Запропонували її в 1948 р. Герман Бонді і Томас Голд, які втекли з окупованої нацистами Австрії, спільно з британцем Фредом Хойлом, який у роки війни працював разом з ними над удосконаленням радарів. Їх ідея полягала в тому, що, у міру того як галактики розбігаються, у просторі між ними з матерії, що знову утворюється, постійно формуються нові галактики. Тому Всесвіт і виглядає приблизно однаковим у всі часи, а також з будь-якої точки простору.
Теорія стаціонарного Всесвіту вимагала такої зміни загальної теорії відносності, яка б допускала постійне утворення нової матерії, але швидкість її утворення була настільки низькою - близько однієї елементарної частки на кубічний кілометр на рік, - що ідея Бонді, Голда і Хойла не суперечила досвідченим. даними. Їхня теорія була «добротною», тобто досить простою і пропонуючою ясні передбачення, які можуть бути перевірені експериментально. Одне з таких передбачень полягало в тому, що кількість галактик або подібних до них об'єктів у будь-якому даному обсязі простору буде одним і тим же, куди б і коли б ми не глянули у Всесвіті.
Наприкінці 1950-х – на початку 1960-х років. група астрономів із Кембриджу, очолювана Мартіном Райлом, досліджувала джерела радіовипромінювання у космічному просторі. З'ясувалося, що більша частинатаких джерел має лежати поза нашої Галактики і що слабких серед них набагато більше, ніж сильних. Слабкі джерела були визнані більш віддаленими, а сильні - ближчими. Очевидним стало й інше: кількість близьких джерел, що припадає на одиницю обсягу, менша за дальні.
Це означало, що ми розташовуємося в центрі великого району, де щільність джерел радіовипромінювання значно нижча, ніж у решті Всесвіту. Або те, що в минулому, коли радіохвилі тільки розпочинали свій шлях до нас, джерел випромінювання було набагато більше, ніж зараз. І перше і друге пояснення суперечили теорії стаціонарного Всесвіту. Більше того, виявлене Пензіасом та Вілсоном у 1965 р. мікрохвильове випромінюваннятакож свідчило, що колись у минулому Всесвіт повинен був мати набагато велику щільність. Тож теорію стаціонарного Всесвіту поховали, хай і не без жалю.
Ще одну спробу обійти висновок про те, що Великий Вибух був і час має початок, зробили в 1963 р. радянські вчені Євген Ліфшиц та Ісаак Халатніков. Вони припустили, що Великий Вибух може бути якоюсь специфічну особливістьмоделей Фрідмана, які, зрештою, є лише наближенням до реального Всесвіту. Можливо, з усіх моделей, що приблизно описують реальний Всесвіт, лише моделі Фрідмана містять сингулярність Великого Вибуху. У цих моделях галактики розбігаються у космічному просторі по прямих лініях.
Тому не дивно, що колись у минулому всі вони були в одній точці. У реальному Всесвіті, однак, галактики розбігаються не прямими, а трохи викривленими траєкторіями. Так що на вихідній позиції вони розташовувалися не в одній геометричній точці, а дуже близько один до одного. Тому представляється ймовірним, що сучасний Всесвіт, що розширюється, виник не з сингулярності Великого Вибуху, а з більш ранньої фази стиснення; при колапсі Всесвіту не всі частки повинні були обов'язково зіткнутися один з одним, деякі з них могли уникнути прямого зіткнення і розлетітися, створивши картину розширення Всесвіту, що спостерігається нами. Чи можна тоді говорити, що реальний Всесвіт почався з Великого Вибуху?
Ліфшиць і Халатников вивчили моделі Всесвіту, приблизно схожі на фрідмановські, але брали до уваги неоднорідності і випадковий розподілшвидкостей галактик у реальному Всесвіті. Вони показали, що такі моделі теж можуть починатися з Великого Вибуху, навіть якщо галактики не розбігаються по прямих лініях. Однак Ліфшиц і Халатніков стверджували, що таке можливе лише в окремих певних моделях, де всі галактики рухаються прямолінійно.
Оскільки серед моделей, подібних до фрідманівських, набагато більше тих, які не містять сингулярності Великого Вибуху, ніж тих, що її містять, міркували вчені, ми повинні зробити висновок, що ймовірність Великого Вибуху вкрай низька. Однак надалі їм довелося визнати, що клас моделей, подібних до фрідманівських, які містять сингулярності і в яких галактики не повинні рухатися якимось особливим чином, набагато ширші. І 1970 р. вони взагалі відмовилися від своєї гіпотези.
Робота, виконана Ліфшицем і Халатниковим, мала цінність, оскільки показала: Всесвіт міг мати сингулярність - Великий Вибух, - якщо загальна теорія відносності вірна. Однак вони не дозволили життєво важливого питання: чи передбачає загальна теорія відносності, що у нашого Всесвіту мав бути Великий Вибух, початок часу? Відповідь на це дав зовсім інший підхід, запропонований вперше англійським фізиком Роджером Пенроузом в 1965 р. Пенроуз використовував поведінку так званих світлових конусів у теорії відносності і той факт, що гравітація завжди викликає тяжіння, щоб показати, що зірки, що переживають колапс під впливом власного тяжіння , укладені в межах області, межі яких стискаються до нульових розмірів. Це означає, що вся речовина зірки стягується в одну точку нульового об'єму, тому щільність матерії і кривизна простору-часу стають нескінченними. Іншими словами, є сингулярність, що міститься в області простору-часу, відомої як чорна діра.
На перший погляд, висновки Пенроуза нічого не говорили про те, чи існувала в минулому сингулярність Великого Вибуху. Однак у той самий час, коли Пенроуз вивів свою теорему, я тоді аспірант відчайдушно шукав математичне завдання, яка б дозволила мені завершити дисертацію. Я зрозумів, що, якщо звернути назад напрямок часу в теоремі Пенроуза, щоб колапс змінився розширенням, умови теореми залишаться колишніми, якщо нинішній Всесвіт приблизно відповідає фридманівської моделі у великих масштабах. З теореми Пенроуза випливало, що колапс будь-якої зірки закінчується сингулярністю, а мій приклад зі зверненням часу доводив, що будь-який фрідманівський Всесвіт, що розширюється, повинен виникати з сингулярності. З чисто технічних причин теорема Пенроуза вимагала, щоб Всесвіт був нескінченний у просторі. Я міг використати це для доказу того, що сингулярності виникають лише в одному випадку: якщо висока швидкість розширення виключає зворотний стиск Всесвіту, тому що тільки фрідманівська модель нескінченна у просторі.
Декілька наступних роківя розробляв нові математичні прийоми, які дозволили б виключити це та інші технічні умовиз теорем, які доводять, що сингулярності мають існувати. Результатом стала опублікована в 1970 Пенроузом і мною спільна стаття, яка стверджувала, що сингулярність Великого Вибуху повинна була існувати за умови, що загальна теорія відносності справедлива і кількість речовини у Всесвіті відповідає тому, яке ми спостерігаємо.
Пішла маса заперечень, частково від радянських учених, які дотримувалися «партійної лінії», проголошеної Ліфшицем і Халатниковим, а частково від тих, хто відчував огиду до самої ідеї сингулярності, що ображає красу теорії Ейнштейна. Втім, з математичною теоремою важко посперечатися. Тому нині широко визнано, що Всесвіт повинен був мати початок.
Лише сто років тому вчені виявили, що наш світ стрімко збільшується в розмірах.
У 1870 році англійський математик Вільям Кліффорд дійшов дуже глибокої думки, що простір може бути викривлено, причому неоднаково в різних точках, і що з часом його кривизна може змінюватися. Він навіть припускав, що такі зміни пов'язані з рухом матерії. Обидві ці ідеї через багато років стали основою загальної теорії відносності. Сам Кліффорд до цього не дожив – він помер від туберкульозу у віці 34 років за 11 днів до народження Альберта Ейнштейна.
Червоне усунення
Перші відомості про розширення Всесвіту надала астроспектрографія. У 1886 році англійський астроном Вільям Хаггінс зауважив, що довжини хвиль зоряного світла дещо зсунуті порівняно із земними спектрами тих самих елементів. Виходячи з формули оптичної версії ефекту Допплера, виведеної в 1848 французьким фізиком Арманом Фізо, можна обчислити величину радіальної швидкості зірки. Такі спостереження дозволяють відстежити рух космічного об'єкта.
Через чверть століття цю можливість по-новому використав співробітник обсерваторії у Флагстаффі в штаті Арізона Весто Слайфер, який з 1912 року вивчав спектри спіральних туманностей на 24-дюймовому телескопі з хорошим спектрографом. Для отримання якісного знімка одну й ту саму фотопластинку експонували кілька ночей, тому проект рухався повільно. З вересня по грудень 1913 року Слайфер займався туманністю Андромеди і з допомогою формули Допплера–Физо дійшов висновку, що вона щомиті наближається Землі на 300 км.
В 1917 він опублікував дані про радіальні швидкості 25 туманностей, які показували значну асиметрію їх напрямків. Тільки чотири туманності наближалися до Сонця, інші тікали (і деякі дуже швидко).
Слайфер не прагнув слави і не пропагував свої результати. Тому вони стали відомі в астрономічних колах лише тоді, коли на них звернув увагу знаменитий британський астрофізик Артур Еддінгтон.
В 1924 він опублікував монографію з теорії відносності, куди включив перелік знайдених Слайфером радіальних швидкостей 41 туманності. Там була все та ж четвірка туманностей з блакитним зміщенням, тоді як у решти 37 спектральні лінії були зрушені в червоний бік. Їхні радіальні швидкості варіювали в межах 150-1800 км/с і в середньому в 25 разів перевищували відомі на той час швидкості зірок Чумацького Шляху. Це наводило на думку, що туманності беруть участь в інших рухах, ніж «класичні» світила.
Космічні острови
На початку 1920-х років більшість астрономів вважали, що спіральні туманності розташовані на периферії Чумацького Шляху, а за його межами вже немає нічого, окрім порожнього темного простору. Щоправда, ще у XVIII столітті деякі вчені бачили у туманностях гігантські зоряні скупчення (Іммануїл Кант назвав їх острівними всесвітами). Однак ця гіпотеза не мала популярності, оскільки достовірно визначити відстані до туманностей ніяк не виходило.
Це завдання вирішив Едвін Хаббл, який працював на 100-дюймовому телескопі-рефлектор каліфорнійської обсерваторії Маунт-Вілсон. У 1923-1924 роках він виявив, що туманність Андромеди складається з безлічі об'єктів, що світяться, серед яких є змінні зірки сімейства цефеїд. Тоді вже було відомо, що період зміни їх видимого блиску пов'язаний з абсолютною світністю, і цефеїди придатні для калібрування космічних дистанцій. З їхньою допомогою Хаббл оцінив відстань до Андромеди в 285 000 парсек (за сучасними даними, вона становить 800 000 парсек). Діаметр Чумацького Шляху тоді вважали приблизно рівним 100 000 парсек (насправді він утричі менший). Звідси випливало, що Андромеду і Чумацький Шлях слід вважати незалежними зоряними скупченнями. Незабаром Хабл ідентифікував ще дві самостійні галактики, чим остаточно підтвердив гіпотезу «острівних всесвітів».
Закони Хаббла
Едвін Хаббл емпірично виявив зразкову пропорційність червоних зсувів і галактичних дистанцій, яку він за допомогою формули Допплера-Фізо перетворив на пропорційність між швидкостями та відстанями. Отже, ми маємо тут справу з двома різними закономірностями.
Хаббл не знав, як ці закономірності пов'язані одна з одною, але що про це говорить сьогоднішня наука?
Як показав ще Леметр, лінійна кореляція між космологічними (викликаними розширенням Всесвіту) червоними зміщеннями та дистанціями аж ніяк не абсолютна. Насправді вона добре дотримується лише зсувів, менших 0,1. Так що емпіричний закон Хаббла не точний, а наближений, та й формула Допплера-Фізо справедлива лише для невеликих зсувів спектра.
А ось теоретичний закон, що пов'язує радіальну швидкість далеких об'єктів з відстанню до них (з коефіцієнтом пропорційності у вигляді параметра Хаббла V = Hd), справедливий для будь-яких червоних зсувів. Однак швидкість, що фігурує в ньому V- Зовсім не швидкість фізичних сигналів або реальних тіл у фізичному просторі. Це швидкість зростання дистанцій між галактиками та галактичними скупченнями, що обумовлено розширенням Всесвіту. Ми б змогли її виміряти, тільки якщо ми могли зупиняти розширення Всесвіту, миттєво простягати мірні стрічки між галактиками, зчитувати відстані між ними і ділити їх на проміжки часу між вимірами. Звичайно, закони фізики цього не дозволяють. Тому космологи вважають за краще використовувати параметр Хаббла Hв іншій формулі, де фігурує масштабний фактор Всесвіту, який якраз і описує ступінь її розширення в різні космічні епохи (оскільки цей параметр змінюється з часом, його сучасне значення позначають H 0). Всесвіт зараз розширюється з прискоренням, тож величина хабловского параметра зростає.
Вимірюючи космологічні червоні усунення, ми отримуємо інформацію про ступінь розширення простору. Світло галактики, що прийшло до нас із космологічним червоним усуненням z, покинув її, коли всі космологічні дистанції були в 1 + zменше, ніж у нашу епоху. Отримати про цю галактику додаткові відомості, такі як нинішня дистанція або швидкість віддалення від Чумацького Шляху, можна лише за допомогою конкретної космологічної моделі. Наприклад, у моделі Ейнштейна-де Сіттера галактика з z= 5 віддаляється від нас зі швидкістю, що дорівнює 1,1 з(швидкості світла). А якщо зробити поширену помилку і просто зрівняти V/cі z, то ця швидкість виявиться вп'ятеро більшою за світлову. Розбіжність, як бачимо, неабияка.
Задля справедливості варто зазначити, що за два роки до Хаббла відстань до Андромеди вирахував естонський астроном Ернст Опік, чий результат - 450 000 парсек - був ближчим до правильного. Однак він використовував ряд теоретичних міркувань, які не були такими ж переконливими, як прямі спостереження Хаббла.
До 1926 Хаббл провів статистичний аналіз спостережень чотирьох сотень «позагалактичних туманностей» (цим терміном він користувався ще довго, уникаючи називати їх галактиками) і запропонував формулу, що дозволяє пов'язати відстань до туманності з її видимою яскравістю. Незважаючи на величезні похибки цього методу, нові дані підтверджували, що туманності розподілені в просторі більш менш рівномірно і знаходяться далеко за межами Чумацького Шляху. Тепер уже не доводилося сумніватися, що космос не замикається на нашій Галактиці та її найближчих сусідах.
Модельєри космосу
Еддінгтон зацікавився результатами Слайфера ще остаточне з'ясування природи спіральних туманностей. До цього часу вже існувала космологічна модель, яка в певному сенсі передбачала ефект, виявлений Слайфером. Еддінгтон багато міркував про неї і, природно, не прогав нагоди надати спостереженням аризонського астронома космологічне звучання.
Сучасна теоретична космологія розпочалася у 1917 році двома революційними статтями, що представили моделі Всесвіту, побудовані на основі загальної теорії відносності. Одну з них написав сам Ейнштейн, іншу – голландський астроном Віллем де Сіттер.
Ейнштейн у дусі часу вважав, що Всесвіт як ціле статичний (він намагався зробити його ще й нескінченним у просторі, але не зміг знайти коректні граничні умови для своїх рівнянь). У результаті він побудував модель замкнутого Всесвіту, простір якого має постійну позитивну кривизну (і тому вона має постійний кінцевий радіус). Час у цьому Всесвіті, навпаки, тече по-ньютонівськи, в одному напрямку і з однаковою швидкістю. Простір-час цієї моделі викривлений за рахунок просторової компоненти, тоді як тимчасова не деформована. Статичність цього світу забезпечує спеціальний «вкладиш» в основне рівняння, що перешкоджає гравітаційному схлопыванию і цим діє як всюдисуще антигравітаційне поле. Його інтенсивність пропорційна особливій константі, яку Ейнштейн назвав універсальною (зараз її називають космологічною постійною).
Ейнштейнівська модель дозволила обчислити розмір Всесвіту, загальну кількість матерії та навіть значення космологічної постійної. Для цього потрібна лише середня густина космічної речовини, яку, в принципі, можна визначити зі спостережень. Невипадково цією моделлю захоплювався Еддінгтон і використав практично Хаббл. Однак її губить нестійкість, яку Ейнштейн просто не помітив: за найменшого відхилення радіусу від рівноважного значення ейнштейнівський світ або розширюється, або зазнає гравітаційного колапсу. Тому до реального Всесвіту така модель не має відношення.
Порожній світ
Де Сіттер теж збудував, як він сам вважав, статичний світ постійної позитивної кривизни. У ньому присутня ейнштейнівська космологічна константа, проте повністю відсутня матерія. При введенні пробних частинок скільки завгодно малої маси вони розбігаються і йдуть у нескінченність. Крім того, час на периферії всесвіту де Сіттера тече повільніше, ніж у її центрі. Через це з великих відстаней світлові хвилі приходять із червоним усуненням, навіть якщо їхнє джерело нерухоме щодо спостерігача. Тому в 1920-і роки Еддінгтон та інші астрономи запитали: чи не має модель де Сіттера чогось спільного з реальністю, відображеною в спостереженнях Слайфера?
Ці підозри підтвердилися, хоч і в іншому плані. Статичність всесвіту де Сіттера виявилася уявною, оскільки була пов'язана з невдалим вибором координатної системи. Після виправлення цієї помилки простір де Сіттера виявився плоским, евклідовим, але нестатичним. Завдяки антигравітаційній космологічній константі воно розширюється, зберігаючи при цьому нульову кривизну. Через це розширення довжини хвиль фотонів зростають, як і тягне у себе передбачений де Ситтером зсув спектральних ліній. Варто зазначити, що саме так сьогодні пояснюють космологічне червоне усунення далеких галактик.
Супутні координати
У космологічних обчисленнях зручно користуватися супутніми координатними системами, які розширюються в унісон із розширенням Всесвіту.
В ідеалізованій моделі, де галактики та галактичні кластери не беруть участь у жодних власних рухах, їх супутні координати не змінюються. А ось дистанція між двома об'єктами в даний момент часу дорівнює їхній постійній дистанції в супутніх координатах, помноженої на величину масштабного фактора для цього моменту. Таку ситуацію легко проілюструвати на надувному глобусі: широта та довгота кожної точки не змінюються, а відстань між будь-якою парою точок збільшується зі зростанням радіусу.
Використання супутніх координат допомагає усвідомити глибокі відмінності між космологією Всесвіту, що розширюється, спеціальною теорією відносності і ньютонівською фізикою. Так, у ньютонівській механіці всі рухи відносні, і абсолютна нерухомість не має фізичного сенсу. Навпаки, у космології нерухомість у супутніх координатах абсолютна й у принципі може бути підтверджена спостереженнями.
Спеціальна теорія відносності описує процеси у просторі-часі, з якого можна за допомогою перетворень Лоренца нескінченним числом способів відокремлювати просторові та часові компоненти. Космологічне простір-час, навпаки, природно розпадається на викривлений простір, що розширюється, і єдиний космічний час. При цьому швидкість розбігання далеких галактик може багаторазово перевищувати швидкість світла.
Від статистики до динаміки
Історія відкрито нестатичних космологічних теорій починається з двох праць радянського фізика Олександра Фрідмана, опублікованих у німецькому журналі Zeitschrift fur Physikу 1922 та 1924 роках. Фрідман прорахував моделі всесвітів із змінною у часі позитивною та негативною кривизною, які стали золотим фондом теоретичної космології. Однак сучасники ці роботи майже не помітили (Ейнштейн спочатку навіть вважав першу статтю Фрідмана математично помилковою). Сам Фрідман вважав, що астрономія ще має арсеналом спостережень, що дозволяє вирішити, яка з космологічних моделей більше відповідає реальності, і тому обмежився чистою математикою. Можливо, він діяв би інакше, якби ознайомився із результатами Слайфера, проте цього не сталося.
Інакше мислив найбільший космолог у першій половині ХХ століття Жорж Леметр. На батьківщині, в Бельгії, він захистив дисертацію з математики, а потім у середині 1920-х вивчав астрономію - в Кембриджі під керівництвом Еддінгтона і в Гарвардській обсерваторії у Харлоу Шеплі (під час перебування в США, де він підготував другу дисертацію в М познайомився зі Слайфером та Хабблом). Ще в 1925 році Леметр вперше вдалося показати, що статичність моделі де Сіттера уявна. Після повернення на батьківщину як професор Лувенського університету Леметр побудував першу модель всесвіту, що розширюється, що має чітке астрономічне обґрунтування. Без перебільшення, ця робота стала революційним проривом у науці про космос.
Всесвітня революція
У своїй моделі Леметр зберіг космологічну константу з чисельним ейнштейнівським значенням. Тому його всесвіт починається статичним станом, але згодом через флуктуації вступає на шлях постійного розширення зі зростаючою швидкістю. На цій стадії вона зберігає позитивну кривизну, яка зменшується зі зростанням радіусу. Леметр включив до складу свого всесвіту не лише речовину, а й електромагнітне випромінювання. Цього не зробили ні Ейнштейн, ні де Сіттер, чиї роботи були відомі Леметру, ні Фрідман, про якого він тоді нічого не знав.
Леметр ще в США припустив, що червоні усунення далеких галактик виникають через розширення простору, який «розтягує» світлові хвилі. Тепер же він довів це математично. Він також продемонстрував, що невеликі (багато менші одиниці) червоні усунення пропорційні відстаням до джерела світла, причому коефіцієнт пропорційності залежить тільки від часу та несе інформацію про поточний темп розширення Всесвіту. Оскільки формули Допплера–Физо випливало, що радіальна швидкість галактики пропорційна червоному зміщенню, Леметр дійшов висновку, що ця швидкість також пропорційна її віддаленості. Проаналізувавши швидкості та дистанції 42 галактик зі списку Хаббла та взявши до уваги внутрішньогалактичну швидкість Сонця, він встановив значення коефіцієнтів пропорційності.
Непомічена робота
Свою роботу Леметр опублікував у 1927 році французькою мовою в журналі «Аннали Брюссельського наукового товариства». Вважають, що це спричинило основну причину, через яку вона спочатку залишилася практично непоміченою (навіть його вчителем Еддінгтоном). Щоправда, восени того ж року Леметр зміг обговорити свої висновки з Ейнштейном і дізнався від нього про результати Фрідмана. У творця ОТО не було технічних заперечень, проте він рішуче не повірив у фізичну реальність леметрівської моделі (подібно до того, як раніше не прийняв фридманівські висновки).
Графіки Хаббла
Тим часом наприкінці 1920-х років Хаббл і Хьюмасон виявили лінійну кореляцію між відстанями до 24 галактик та їх радіальними швидкостями, обчисленими (переважно ще Слайфером) по червоним усуненням. Хаббл зробив з цього висновок про пряму пропорційність радіальної швидкості галактики відстані до неї. Коефіцієнт цієї пропорційності зараз позначають H 0 і називають параметром Хаббла (за останніми даними, він трохи перевищує 70 (км/с)/мегапарсек).
Статтю Хаббла з графіком лінійної залежності між галактичними швидкостями та дистанціями було опубліковано на початку 1929 року. Роком раніше молодий американський математик Хауард Робертсон слідом за Леметром вивів цю залежність з моделі Всесвіту, що розширюється, про що Хаббл, можливо, знав. Однак у знаменитій статті ця модель ні прямо, ні опосередковано не згадувалася. Пізніше Хаббл висловлював сумніви, що фігуруючі у його формулі швидкості реально описують рухи галактик у космічному просторі, проте завжди утримувався від їхньої конкретної інтерпретації. Сенс свого відкриття він бачив у демонстрації пропорційності галактичних відстаней та червоних зміщень, решту надавав теоретикам. Тому при всій повазі до Хаббл вважати його першовідкривачем розширення Всесвіту немає жодних підстав.
І все-таки вона розширюється!
Проте Хаббл підготував ґрунт для визнання розширення Всесвіту та моделі Леметра. Вже 1930 року їй віддали належне такі метри космології, як Еддінгтон і де Сіттер; Дещо пізніше вчені помітили і гідно оцінили роботи Фрідмана. 1931 року з подачі Еддінгтона Леметр переклав на англійську свою статтю (з невеликими купюрами) для «Щомісячних звісток Королівського астрономічного товариства». У цьому ж році Ейнштейн погодився з висновками Леметра, а роком пізніше спільно з де Сіттером побудував модель Всесвіту, що розширюється, з плоским простором і викривленим часом. Ця модель через свою простоту довгий час була дуже популярною серед космологів.
У тому ж 1931 році Леметр опублікував короткий (і без будь-якої математики) опис ще однієї моделі Всесвіту, що поєднувала в собі космологію та квантову механіку. У цій моделі початковим моментом виступає вибух первинного атома (Леметр також називав його квантом), що породив і простір, і час. Оскільки тяжіння гальмує розширення новонародженого Всесвіту, його швидкість зменшується - не виключено, що майже до нуля. Пізніше Леметр ввів у свою модель космологічну постійну, що змусила Всесвіт з часом перейти в стійкий режим розширення, що прискорюється. Тож він передбачив ідею Великого вибуху, і сучасні космологічні моделі, що враховують присутність темної енергії. А в 1933 році він ототожнив космологічну постійну із щільністю енергії вакууму, про що до того ніхто ще не здогадався. Просто дивно, наскільки цей вчений, безумовно гідний титулу першовідкривача розширення Всесвіту, випередив свій час!
Якщо подивитися на небо ясної місячної ночі, то самими яскравими об'єктамиНайімовірніше, виявляться планети Венера, Марс, Юпітер і Сатурн. А ще ви побачите цілий розсип зірок, схожих на наше Сонце, але розташованих набагато далі від нас. Деякі з цих нерухомих зірок насправді ледь помітно зміщуються одна щодо одної під час руху Землі навколо Сонця. Вони зовсім не нерухомі! Це відбувається тому, що такі зірки знаходяться порівняно близько до нас. Внаслідок руху Землі навколо Сонця ми бачимо ці ближчі зірки на тлі більш далеких із різних положень. Той самий ефект спостерігається, коли ви їдете на машині, а дерева біля дороги ніби змінюють своє становище на тлі ландшафту, що йде до горизонту (рис. 14). Чим ближче дерева, тим помітніший їхній видимий рух. Така зміна відносного положення називається паралаксом. У випадку із зірками це справжня удача для людства, тому що паралакс дозволяє нам безпосередньо виміряти відстань до них.
Мал. 14. Зірковий паралакс.
Чи рухаєтеся ви по дорозі або в космосі, відносне становище ближніх і далеких тіл змінюється в міру вашого руху. Величина цих змін може бути використана визначення відстані між тілами.
Найближча зірка, Проксима Центавра, віддалена від нас приблизно на чотири світлові роки або сорок мільйонів мільйонів кілометрів. Більшість інших зірок, видимих неозброєним оком, знаходяться за кілька сотень світлових років від нас. Для порівняння: від Землі до Сонця лише вісім світлових хвилин! Зірки розкидані по всьому нічному небу, але особливо густо розсипані в смузі, яку ми називаємо Чумацьким Шляхом. Вже в 1750 р. деякі астрономи висловлювали припущення, що вид Чумацького Шляху можна пояснити, якщо вважати, що більшість видимих зірок зібрано в дископодібну конфігурацію, на кшталт тих, що ми тепер називаємо спіральними галактиками. Лише через кілька десятиліть англійський астроном Вільям Гершель підтвердив справедливість цієї ідеї, ретельно підраховуючи кількість зірок, які видно в телескоп на різних ділянкахнебо. Проте повне визнання ця ідея отримала лише у ХХ столітті. Тепер ми знаємо, що Чумацький Шлях - наша Галактика - розкинувся від краю до краю приблизно сто тисяч світлових років і повільно обертається; зірки в його спіральних рукавах роблять один оберт навколо центру Галактики за кілька сотень мільйонів років. Наше Сонце - звичайнісінька жовта зірка середніх розмірів - знаходиться у внутрішнього краю одного зі спіральних рукавів. Безперечно, ми пройшли довгий шлях з часів Аристотеля і Птолемея, коли люди вважали Землю центром Всесвіту.
Сучасна картина Всесвіту почала промальовуватися в 1924 р., коли американський астроном Едвін Хаббл довів, що Чумацький Шлях не єдина галактика. Він відкрив, що є безліч інших зіркових систем, розділених великими порожніми просторами. Щоб підтвердити це, Хаббл мав визначити відстань Землі до інших галактик. Але галактики знаходяться так далеко, що на відміну від найближчих зірок, дійсно виглядають нерухомими. Не маючи можливості використовувати паралакс для вимірювання відстаней до галактик, Хабл змушений був застосувати непрямі методи оцінки відстаней. Очевидним заходом відстані до зірки є її яскравість. Але видима яскравість залежить не тільки від відстані до зірки, але також і від світності зірки - кількості світла, що нею випускається. Тьмяна, але близька до нас зірка затьмарить найяскравіше світило з віддаленої галактики. Тому, щоб використовувати видиму яскравість як міру відстані, ми повинні знати світність зірки.
Світність найближчих зірок можна розрахувати за їхньою видимою яскравістю, оскільки завдяки паралаксу ми знаємо відстань до них. Хаббл зауважив, що близькі зірки можна класифікувати за характером світла, що випромінюється ними. Зірки одного класу завжди мають однакову світність. Далі він припустив, що якщо ми виявимо зірки цих класів у далекій галактиці, то їм можна приписати ту ж світність, яку мають подібні зірки поблизу нас. Маючи таку інформацію, неважко обчислити відстань до галактики. Якщо обчислення, зроблені для безлічі зірок в одній і тій же галактиці, дають одну і ту ж відстань, то можна бути впевненим у правильності нашої оцінки. У такий спосіб Едвін Хаббл вирахував відстані до дев'яти різних галактик.
Сьогодні ми знаємо, що зірки, видимі неозброєним оком, становлять незначну частку всіх зірок. Ми бачимо на небі приблизно 5000 зірок - лише близько 0,0001% від числа всіх зірок нашої Галактики, Чумацького Шляху. А Чумацький Шлях - лише одна із понад сотні мільярдів галактик, які можна спостерігати в сучасні телескопи. І кожна галактика містить близько сотні мільярдів зірок. Якби зірка була крупинкою солі, всі зірки, видимі неозброєним оком, вмістилися б у чайній ложці, проте зірки всього Всесвіту склали б кулю діаметром понад тринадцять кілометрів.
Зірки настільки далекі від нас, що здаються крапками, що світяться. Ми не можемо розрізнити їх розмір чи форму. Але, як зауважив Хаббл, є багато різних типівзірок, і ми можемо розрізняти їх за кольором випромінювання. Ньютон виявив, що, якщо сонячне світло пропустити через тригранну скляну призму, воно розкладеться на складові кольору, подібно до веселки (рис. 15). Відносна інтенсивність різних кольорів у випромінюванні, що випускається деяким джерелом світла, називається його спектром. Фокусуючи телескоп на окремій зірці або галактиці, можна досліджувати спектр світла, що випромінюється ними.
Мал. 15. Зоряний діапазон.
Аналізуючи спектр випромінювання зірки, можна визначити як її температуру, і склад атмосфери.
У числі іншого випромінювання тіла дозволяє будувати висновки про його температурі. У 1860 р. німецький фізикГустав Кірхгоф встановив, що будь-яке матеріальне тіло, наприклад зірка, будучи нагрітим, випромінює світло чи інше випромінювання, подібно до того як світяться розпечене вугілля. Світіння нагрітих тіл обумовлено тепловим рухом атомів усередині них. Це називається випромінюванням чорного тіла (незважаючи на те, що самі нагріті тіла не є чорними). Спектр чорнотільного випромінювання важко з чимось переплутати: він має характерний вигляд, який змінюється з температурою тіла (рис. 16). Тому випромінювання нагрітого тіла подібно до показань термометра. Спостережуваний нами спектр випромінювання різних зірокзавжди схожий на випромінювання чорного тіла, це свого роду повідомлення про температуру зірки.
Мал. 16. Спектр випромінювання чорного тіла.
Всі тіла - а не тільки зірки - випромінюють внаслідок теплового руху складових їх мікроскопічних частинок. Розподіл випромінювання частотою характеризує температуру тіла.
Якщо уважно вивчити зоряне світло, воно повідомить нам ще більше інформації. Ми виявимо відсутність деяких суворо певних кольорів, причому у різних зірок вони будуть різними. І оскільки ми знаємо, що кожен хімічний елемент поглинає характерний для нього набір кольорів, то порівнюючи ці кольори з тими, що відсутні у спектрі зірки, ми зможемо точно визначити, які елементи присутні у її атмосфері.
У 1920 е рр., коли астрономи почали вивчати спектри зірок в інших галактиках, було виявлено щось дуже цікаве: це виявилися ті самі характерні набори відсутніх квітів, що і у зірок у нашій власній галактиці, але всі вони були зміщені до червоного кінця спектру , причому у однаковій пропорції. Фізикам зміщення кольору чи частоти відоме як ефект Доплера.
Ми всі знайомі про те, як це явище впливає на звук. Прислухайтеся до звуку автомобіля, що проїжджає повз вас. Коли він наближається, звук його двигуна або гудка здається вищим, а коли машина вже проїхала повз і стала віддалятися, звук знижується. Поліцейський автомобіль, що їде до нас зі швидкістю сто кілометрів на годину, розвиває приблизно десяту частку швидкості звуку. Звук його сирени є хвилю, чергування гребенів і западин. Нагадаємо, що відстань між найближчими гребенями (або западинами) називається довжиною хвилі. Чим менша довжина хвилі, тим більше коливань досягає нашого вуха кожну секунду і тим вище тон, або частота звуку.
Ефект Доплера викликаний тим, що автомобіль, що наближається, випускаючи кожен наступний гребінь звукової хвилі, буде знаходитися все ближче до нас, і в результаті відстані між гребенями виявляться менше, ніж якби машина стояла на місці. Це означає, що довжини хвиль, що приходять до нас, стають менше, а їх частота - вище (рис. 17). І навпаки, якщо автомобіль видаляється, довжина хвиль, що уловлюються нами, стає більше, а їх частота - нижче. І чим швидше переміщається автомобіль, тим сильніше проявляється ефект Доплера, що дозволяє використовувати його для вимірювання швидкості.
Мал. 17. Ефект Доплера.
Коли джерело, що випромінює хвилі, рухається у напрямку спостерігача, довжина хвиль зменшується. При видаленні джерела вона навпаки збільшується. Це називають ефектом Доплера.
Світло і радіохвилі поводяться так само. Поліція використовує ефект Доплера визначення швидкості автомобілів шляхом вимірювання довжини хвилі відбитого від них радіосигналу. Світло є коливання, або хвилі, електромагнітного поля. Як ми зазначали в гол. 5, довжина хвилі видимого світла надзвичайно мала - від сорока до вісімдесяти мільйонних часток метра.
Людське око сприймає світлові хвилі різної довжини як різні кольори, Причому найбільшу довжину мають хвилі, що відповідають червоному кінцю спектру, а найменшу - відносяться до синього кінця. Тепер уявіть собі джерело світла, що знаходиться на постійній відстані від нас, наприклад, зірку, що випромінює світлові хвилі певної довжини. Довжина хвиль, що реєструються, буде такою ж, як у тих, що випускаються. Але припустимо тепер, що джерело світла почало віддалятися від нас. Як і у випадку зі звуком, це призведе до збільшення довжини хвилі світла, а значить, спектр зміститься у бік червоного кінця.
Довівши існування інших галактик, Хаббл у наступні роки займався визначенням відстаней до них та спостереженням їх спектрів. У той час багато хто припускав, що галактики рухаються безладно, і очікували, що число спектрів, зміщених у синій бік, буде приблизно таким самим, як число зміщених у червоний. Тому повною несподіванкою стало відкриття того, що спектри більшості галактик демонструють червоне усунення – майже всі зіркові системи віддаляються від нас! Ще дивовижнішим виявився факт, виявлений Хабблом і оприлюднений 1929 р.: величина червоного усунення галактик не випадкова, а прямо пропорційна їхньої віддаленості від нас. Іншими словами, чим далі від нас галактика, тим швидше вона віддаляється! Звідси випливало, що Всесвіт не може бути статичним, незмінним у розмірах, як вважалося раніше. Насправді вона розширюється: відстань між галактиками постійно зростає.
Усвідомлення того, що Всесвіт розширюється, справило справжню революцію в умах, одну з найбільших у ХХ столітті. Коли озираєшся назад, може здатися дивним, що ніхто не додумався раніше. Ньютон та інші великі уми повинні були зрозуміти, що статичний Всесвіт був би нестабільний. Навіть якщо в якийсь момент вона виявилася б нерухомою, взаємне тяжіння зірок і галактик швидко призвело б до її стиснення. Навіть якби Всесвіт відносно повільно розширювався, гравітація в кінцевому рахунку поклала б кінець її розширенню і викликала б стиснення. Однак, якщо швидкість розширення Всесвіту більша за деяку критичну позначку, гравітація ніколи не зможе його зупинити і Всесвіт продовжить розширюватися вічно.
Тут проглядається віддалена схожість із ракетою, що піднімається з поверхні Землі. При відносно низькій швидкості тяжіння врешті-решт зупинить ракету і почне падати на Землю. З іншого боку, якщо швидкість ракети вища за критичну (більше 11,2 кілометра на секунду), тяжіння не може утримати її і вона назавжди залишає Землю.
Виходячи з теорії тяжіння Ньютона така поведінка Всесвіту могла бути передбачена будь-якої миті в дев'ятнадцятому або вісімнадцятому столітті і навіть наприкінці сімнадцятого століття. Однак віра у статичну Всесвіт була настільки сильна, що помилка зберігала владу над умами до початку двадцятого століття. Навіть Ейнштейн був настільки впевнений у статичності Всесвіту, що в 1915 р. вніс спеціальну поправку до загальної теорії відносності, штучно додавши в рівняння особливий член, який отримав назву космологічної постійної, який забезпечував статичність Всесвіту.
Космологічна стала проявлялася як дія якоїсь нової сили- «Антигравітації», яка, на відміну від інших сил, не мала жодного певного джерела, а просто була невід'ємною властивістю, властивою самій тканині простору часу. Під впливом цієї сили простір час виявляв уроджену тенденцію до розширення. Підбираючи величину постійної космологічної, Ейнштейн міг варіювати силу даної тенденції. З її допомогою він зумів точно врівноважити взаємне тяжіння всієї існуючої матерії і отримати в результаті статичну Всесвіт.
Пізніше Ейнштейн відкинув ідею постійної космологічної, визнавши її своєю «найбільшою помилкою». Як ми скоро переконаємося, сьогодні є причини вважати, що врешті-решт Ейнштейн міг все ж таки мати рацію, вводячи космологічну постійну. Але Ейнштейна, мабуть, найбільше пригнічувало те, що він дозволив своїй вірі в нерухомий Всесвітперекреслити висновок у тому, що Всесвіт має розширюватися, передбачений його власною теорією. Здається, тільки одна людина розглянула це наслідок загальної теорії відносності і прийняла його всерйоз. Поки Ейнштейн та інші фізики шукали, як уникнути нестатичності Всесвіту, російський фізик та математик Олександр Фрідман, навпаки, наполягав на тому, що він розширюється.
Фрідман зробив щодо Всесвіту два дуже простих припущення: що вона однаково виглядає, в якому напрямку ми не дивилися б, і що дане становище вірне, незалежно від того, з якої точки Всесвіту ми дивимося. Спираючись на ці дві ідеї та вирішивши рівняння загальної теорії відносності, він довів, що Всесвіт не може бути статичним. Таким чином, у 1922 р., за кілька років до відкриття Едвіна Хаббла, Фрідман точно передбачив розширення Всесвіту!
Припущення, що Всесвіт виглядає однаково у будь-якому напрямку, не зовсім відповідає дійсності. Наприклад, як ми вже знаємо, зірки нашої Галактики формують на нічному небі виразну світлу смугу - Чумацький Шлях. Але якщо ми подивимося на віддалені галактики, схоже, їх число буде більш-менш рівним у всіх частинах неба. Так що Всесвіт виглядає приблизно однаково в будь-якому напрямку, якщо спостерігати його у великому масштабі порівняно з відстанями між галактиками та ігнорувати відмінності у малих масштабах.
Уявіть собі, що ви у лісі, де дерева ростуть безладно. Подивившись в одному напрямку, ви побачите найближче дерево за метр від себе. В іншому напрямку найближче дерево виявиться на відстані трьох метрів. У третьому ви побачите відразу кілька дерев в одному, двох та трьох метрах від себе. Не схоже, начебто ліс виглядає однаково в будь-якому напрямку. Але якщо взяти до уваги всі дерева в радіусі кілометра, така різниця усередняться і ви побачите, що ліс однаковий по всіх напрямках (рис. 18).
Мал. 18. Ізотропний ліс.
Навіть якщо розподіл дерев у лісі в цілому рівномірний, при найближчому розгляді може виявитися, що вони подекуди ростуть густіше. Так само і Всесвіт не виглядає однаковим у найближчому до нас космічному просторі, тоді як зі збільшенням масштабу ми спостерігаємо однакову картину, у якому напрямі вели спостереження.
Довгий час однорідний розподіл зірок служив достатньою підставою для прийняття фрідманівської моделі як перше наближення до реальної картини Всесвіту. Але пізніше щасливий випадок виявив ще одне підтвердження того, що припущення Фрідмана напрочуд точно описує Всесвіт. У 1965 р. два американські фізики, Арно Пензіас і Роберт Вільсон з «Белл телефон лабораторіс» у Нью Джерсі, налагоджували дуже чутливий мікрохвильовий приймач. (Мікрохвилями називають випромінювання з довжиною хвилі близько сантиметра.) Пензіаса та Вільсона непокоїло, що приймач реєстрував більший рівень шуму, ніж очікувалося. Вони виявили на антені пташиний послід і усунули інші потенційні причини збоїв, але незабаром вичерпали всі можливі джерела перешкод. Шум відрізнявся тим, що реєструвався цілодобово протягом усього року незалежно від обертання Землі навколо своєї осі та її звернення навколо Сонця. Оскільки рух Землі направляв приймач до різних секторів космосу, Пензіас і Вільсон зробили висновок, що шум приходить з-за меж Сонячної системи і навіть з-за меж Галактики. Здавалося, він йшов у рівною міроюз усіх боків космосу. Тепер ми знаємо, що, куди б не був направлений приймач, цей шум залишається незмінним, крім мізерно малих варіацій. Так Пензіас і Вільсон випадково натрапили на вражаючий приклад, що підкріплює першу гіпотезу Фрідмана про те, що Всесвіт однаковий у всіх напрямках.
Яким є походження цього космічного фонового шуму? Приблизно в той же час, коли Пензіас і Вільсон досліджували загадковий шум у приймачі, два американські фізики з Прінстонського університету, Боб Дік і Джим Піблс, теж зацікавилися мікрохвильами. Вони вивчали припущення Георгія (Джорджа) Гамова (у минулому студента Олександра Фрідмана) про те, що на ранніх стадіяхрозвитку Всесвіт був дуже щільним і добіла розпеченим. Дік і Піблс вважали, що якщо це правда, то ми повинні мати можливість спостерігати свічення раннього Всесвіту, оскільки світло від далеких областей нашого світу приходить до нас тільки зараз. Однак внаслідок розширення Всесвіту це світло має бути настільки сильно зміщене в червоний кінець спектру, що перетвориться з видимого випромінюванняв мікрохвильове. Дік і Піблс саме готувалися до пошуків цього випромінювання, коли Пензіас і Вільсон, почувши про їхню роботу, зрозуміли, що вже знайшли його. За цю знахідку Пензіас та Вільсон були у 1978 р. удостоєні Нобелівської премії (що здається дещо несправедливим щодо Діка та Піблса, не кажучи вже про Гамову).
На перший погляд той факт, що Всесвіт виглядає однаково в будь-якому напрямку, свідчить про те, що ми займаємо в ньому якесь особливе місце. Зокрема, може здатися, що якщо всі галактики віддаляються від нас, то ми повинні знаходитися в центрі Всесвіту. Є, однак, інше пояснення цього феномену: Всесвіт може виглядати однаково в усіх напрямках також при погляді з будь-якої іншої галактики. Якщо пам'ятаєте, саме в цьому полягала друга припущення Фрідмана.
Ми не маємо жодних наукових аргументів за або проти другої гіпотези Фрідмана. Століття тому християнська церквавизнала б його єретичним, оскільки церковна доктрина постулювала, що ми займаємо особливе місце у центрі світобудови. Але сьогодні ми приймаємо це припущення Фрідмана з чи не протилежної причини зі свого роду скромності: нам здалося б зовсім дивним, якби Всесвіт виглядав однаково в усіх напрямках тільки для нас, але не для інших спостерігачів у Всесвіті!
У фридманівській моделі Всесвіту всі галактики віддаляються одна від одної. Це нагадує розповзання кольорових плям на поверхні повітряної кулі. Зі зростанням розмірів кулі збільшуються і відстані між будь-якими двома плямами, але при цьому жодна з плям не можна вважати центром розширення. Більше того, якщо радіус повітряної кулі постійно зростає, то чим далі один від одного знаходяться плями на його поверхні, тим швидше вони будуть видалятися при розширенні. Припустимо, що радіус повітряної кулі подвоюється кожну секунду. Тоді дві плями, розділені спочатку відстанню в один сантиметр, через секунду виявляться вже на відстані двох сантиметрів одна від одної (якщо вимірювати вздовж поверхні повітряної кулі), так що їх відносна швидкістьскладе один сантиметр за секунду. З іншого боку, пара плям, які були відокремлені десятьма сантиметрами, через секунду після початку розширення розійдуться на двадцять сантиметрів, тому їх відносна швидкість буде десять сантиметрів за секунду (рис. 19). Так само в моделі Фрідмана швидкість, з якою будь-які дві галактики віддаляються одна від одної, пропорційна відстані між ними. Тим самим модель передбачає, що червоне усунення галактики має бути прямо пропорційно її віддаленості від нас - це та сама залежність, яку пізніше виявив Хаббл. Хоча Фрідману вдалося запропонувати вдалу модель і передбачити результати спостережень Хаббла, його робота залишалася майже невідомою на Заході, поки в 1935 р. аналогічна модель була запропонована американським фізиком Говардом Робертсоном і британським математиком Артуром Вокером вже слідами відкритого Хабблом розширення Вселен.
Мал. 19. Всесвіт повітряної кулі, що розширюється.
Внаслідок розширення Всесвіту галактики віддаляються один від одного. З часом відстань між далекими зоряними островами збільшується сильніше, ніж між близькими галактиками, подібно до того як це відбувається з плямами на повітряній кулі, що роздується. Тому спостерігачеві з будь-якої галактики швидкість видалення іншої галактики здається тим більшою, чим далі вона розташована.
Фрідман запропонував лише одну модель Всесвіту. Але при зроблених ним припущеннях рівняння Ейнштейна допускають три класи рішень, тобто існує три різні типи фрідманівських моделей і три різні сценарії розвитку Всесвіту.
Перший клас рішень (той, що знайшов Фрідман) передбачає, що розширення Всесвіту відбувається досить повільно, отже тяжіння між галактиками поступово уповільнює і зрештою зупиняє його. Після цього галактики починають зближуватися, а Всесвіт – стискатися. Відповідно до другого класу рішень Всесвіт розширюється настільки швидко, що гравітація лише трохи сповільнить розбіг галактик, але ніколи не зможе зупинити його. Нарешті, є третє рішення, згідно з яким Всесвіт розширюється саме з такою швидкістю, аби лише уникнути схлопування. Згодом швидкість розльоту галактик стає дедалі менше, але ніколи не сягає нуля.
Дивовижна особливість першої моделі Фрідмана - те, що в ній Всесвіт не нескінченний у просторі, але при цьому ніде у просторі немає жодних меж. Гравітація настільки сильна, що простір згорнуто і замикається він. Це певною мірою схоже з поверхнею Землі, яка теж кінцева, але не має меж. Якщо рухатися поверхнею Землі у певному напрямку, то ніколи не натрапиш на непереборний бар'єр чи край світу, але зрештою повернешся туди, звідки почав шлях. У першій моделі Фрідмана простір влаштований так само, але в трьох вимірах, а не в двох, як у поверхні Землі. Ідея про те, що можна обігнути Всесвіт і повернутися до вихідній точці, хороша для наукової фантастики, але не має практичного значення, оскільки, як можна довести, Всесвіт стиснеться в точку перш, ніж мандрівник повернеться до початку свого шляху. Всесвіт настільки великий, що потрібно рухатися швидше за світло, щоб встигнути закінчити мандрівку там, де ви його почали, а такі швидкості заборонені (теорією відносності. - Перев.). У другій моделі Фрідмана простір також викривлено, але інакше. І лише у третій моделі великомасштабна геометрія Всесвіту плоска (хоча простір викривляється на околиці масивних тіл).
Яка з моделей Фрідмана описує наш Всесвіт? Чи зупиниться колись розширення Всесвіту, і чи зміниться воно стиском, чи Всесвіт розширюватиметься вічно?
Виявилося, що відповісти на це питання важче, ніж спочатку здавалося вченим. Його рішення залежить головним чином від двох речей - швидкості розширення Всесвіту, що спостерігається нині, і його сьогоднішньої середньої щільності (кількості матерії, що припадає на одиницю обсягу простору). Чим вище поточна швидкість розширення, тим більша гравітація, а значить, і щільність речовини, потрібно, щоб зупинити розширення. Якщо середня щільність вище деякого критичного значення (визначається швидкістю розширення), то гравітаційне тяжіння матерії зможе зупинити розширення Всесвіту і змусити його стискатися. Така поведінка Всесвіту відповідає першій моделі Фрідмана. Якщо середня щільність менша від критичного значення, тоді гравітаційне тяжіння не зупинить розширення і Всесвіт буде розширюватися вічно - як у другій фридманівській моделі. Нарешті, якщо середня щільність Всесвіту точно дорівнює критичному значенню, розширення Всесвіту буде вічно сповільнюватися, все ближче підходячи до статичного стануале ніколи не досягаючи його. Цей сценарій відповідає третій моделі Фрідмана.
То яка модель вірна? Ми можемо визначити нинішні темпи розширення Всесвіту, якщо виміряємо швидкість віддалення від нас інших галактик, використовуючи ефект Доплера. Це можна зробити дуже точно. Однак відстані від галактик відомі не дуже добре, оскільки ми можемо вимірювати їх тільки побічно. Тому нам відомо лише те, що швидкість розширення Всесвіту становить від 5 до 10% за мільярд років. Ще більш розпливчасті наші знання про нинішню середню щільність Всесвіту. Так, якщо ми складемо маси всіх видимих зірок у нашій та інших галактиках, сума буде менше сотої частки того, що потрібно для зупинення розширення Всесвіту, навіть за найнижчої оцінки швидкості розширення.
Але це далеко ще не все. Наша та інші галактики повинні містити велику кількість «темної матерії», яку ми не можемо спостерігати безпосередньо, але про існування якої ми знаємо завдяки її гравітаційному впливу на орбіти зірок у галактиках. Можливо, найкращим свідченням існування темної матерії є орбіти зірок на периферії спіральних галактик, подібних Чумацького Шляху. Ці зірки обертаються навколо своїх галактик занадто швидко, щоб їх могло утримувати на орбіті тяжіння лише видимих зірок галактики. Крім того, більшість галактик входять до складу скупчень, і ми можемо аналогічно зробити висновок про присутність темної матерії між галактиками в цих скупченнях за її впливом на рух галактик. Фактично кількість темної матерії у Всесвіті значно перевищує кількість звичайної речовини. Якщо зважити на всю темну матерію, ми отримаємо приблизно десяту частину від тієї маси, яка необхідна для зупинки розширення.
Не можна, однак, виключати існування інших, ще не відомих нам форм матерії, розподілених майже рівномірно всюди у Всесвіті, що могло б підвищити її середню щільність. Наприклад, існують елементарні частки, Звані нейтрино, які дуже слабо взаємодіють з речовиною і які надзвичайно важко виявити.
(В одному з нових нейтринних експериментів використовується підземний резервуар, заповнений 50 тисяч тонн води.) Вважається, що нейтрино невагомі і тому не викликають гравітаційного тяжіння.
Однак дослідження кількох останніх роківсвідчать, що нейтрино все ж таки володіє мізерно малою масою, яку раніше не вдавалося зафіксувати. Якщо нейтрино мають масу, вони можуть бути однією з форм темної матерії. Тим не менш, навіть з урахуванням такої темної матерії, у Всесвіті, схоже, набагато менше речовини, ніж необхідно для зупинення її розширення. Донедавна більшість фізиків сходилося на тому, що найближче до реальності друга модель Фрідмана.
Але потім з'явилися нові спостереження. За останні кілька років різні групи дослідників вивчали дрібну бриж того мікрохвильового фону, який виявили Пензіас і Вільсон. Розмір цієї брижі може бути індикатором великомасштабної структури Всесвіту. Її характер, схоже, показує, що Всесвіт все-таки плоский (як у третій моделі Фрідмана)! Але оскільки сумарної кількості звичайної та темної матерії для цього недостатньо, фізики постулювали існування іншої, поки що не виявленої, субстанції – темної енергії.
І начебто для того, щоб ще більше ускладнити проблему, нещодавні спостереження показали, що розширення Всесвіту не сповільнюється, а прискорюється. Попри всі моделі Фрідмана! Це дуже дивно, оскільки присутність у просторі речовини – високої чи низької щільності – може лише уповільнювати розширення. Адже гравітація завжди діє як сила тяжіння. Прискорення космологічного розширення - це все одно, що бомба, яка збирає, а не розсіює енергію після вибуху. Яка сила відповідальна за розширення космосу, що прискорюється? Ніхто не має надійної відповіді на це питання. Однак, можливо, Ейнштейн таки мав рацію, коли ввів у свої рівняння космологічну постійну (і відповідний їй ефект антигравітації).
З розвитком нових технологій і появою чудових космічних телескопів ми почали раз у раз дізнаватися про Всесвіт дивовижні речі. І ось хороша новина: тепер нам відомо, що Всесвіт продовжить найближчим часом розширюватися з постійно зростаючою швидкістю, а час обіцяє тривати вічно, принаймні для тих, кому вистачить розсудливості не потрапити в чорну дірку. Але що ж було в перші миті? Як починався Всесвіт, і що змусило його розширюватися?