Астрономия для "чайников" - Стивен Маран

Если бы плотность Вселенной была меньше критического значения, то гравитация не смогла бы преодолеть расширение и Вселенная продолжала бы расширяться вечно. Про такую вселенную говорят, что она имеет отрицательную кривизну; подобный объект имеет форму, напоминающую седло.

Хотя из теории раздувания следует, что Вселенная должна быть плоской, некоторые наблюдения показали, что плотность космической материи составляет только 40 % той, которая необходима для поддержания ее плоской. Если же говорить о массе, то "космическая бухгалтерия" показывает, что ее катастрофически не хватает.

Чтобы Вселенная была плоской, глыб материи — видимой или невидимой (темной) — явно недостаточно. Должна существовать особая форма материи или энергии (согласно выводам Эйнштейна, эти два понятия эквивалентны), заполняющей весь Космос и составляющей недостающие 60 %. Космолог Майкл Тернер из Чикагского университета и сотрудники Национальной лаборатории имени Ферми назвали этот особый компонент темной, или странной энергией (dark, funny energy).

Темная энергия: расширение ускоряется?

Из гипотезы о темной энергии, — если она существует, — следует поразительный вывод. Она тоже может проявлять силу гравитационного отталкивания. Поэтому, вместо того чтобы замедлять расширение с момента Большого Взрыва, Вселенная должна его ускорять.

 Это странное утверждение недавно получило неожиданное обоснование, хотя окончательные выводы, конечно, делать рано. (Более подробную информацию о теории ускорения Вселенной и о других теориях, изложенных в данной главе, можно найти на сайте Калифорнийского университета (UCLA) в Лос-Анджелесе в разделе "Космология: часто задаваемые вопросы" по адресу www.astro.ucla.edu/~wright/cosmology_faq.html.)

Эти новые данные получены на основе наблюдений сверхновых типа Iа в далеких галактиках. (Изображение сверхновой такого типа приведено на цветной вклейке, а прочитать о сверхновых этого и других типов можно в главе 11.)

Все сверхновые достаточно яркие, чтобы их можно было увидеть в далеких галактиках, но у сверхновых типа Iа есть особое свойство. Астрономы считают, что результатом этих взрывов будет одинаковый блеск, как у электрических лампочек известной мощности (раздел "Постоянная Хаббла и возраст Вселенной" ниже в этой главе).

Свету из далекой галактики требуются сотни миллионов лет, чтобы дойти до Земли. Поэтому астрономы, глядящие в телескоп на эту галактику, видят сверхновые, которые взорвались, когда Космос был гораздо моложе, чем сейчас. И если бы Вселенная замедлила свое расширение, то расстояние между Землей и далекой галактикой было бы меньше — и время путешествия света сократилось бы, — чем в случае, если бы Вселенная продолжала расширяться с постоянной скоростью. Так что в случае замедления расширения сверхновая из далекой галактики должна была бы выглядеть немного ярче.

Но две независимые команды астрономов получили прямо противоположный результат: далекие сверхновые кажутся немного более тусклыми, чем ожидалось, как будто их родные галактики оказались дальше, чем выходило по расчетам. Похоже — хотя, конечно, этого нельзя утверждать наверняка, — что Вселенная увеличила скорость своего расширения.

Но у этого открытия есть слабые места. Главное возражение формулируется так: сверхновые типа Iа в далекой галактике могут иметь блеск, отличный от блеска сверхновых, находящихся ближе к нам, — возможно, потому, что они имеют другой химический состав. Если это так, то, быть может, астрономы ошибаются. Они думают, что более тусклый блеск сверхновых означает ускорение расширения Вселенной, в то время как видят просто более далекие сверхновые, блеск которых чуть уступает блеску сверхновых из галактик поближе.

Недавно ученые начали проводить новую серию экспериментов по изучению космического микроволнового фона (см. предыдущий раздел), чтобы проверить полученные результаты. Если Вселенная плоская, то температурные колебания — горячие и холодные пятна в микроволновом фоне — должны соответствовать определенной схеме (рисунку пятен). До сих пор результаты, полученные с помощью наземных и поднимаемых на аэростатах телескопов, свидетельствуют о том, что микроволновой фон действительно имеет такой рисунок.

Зонд исследования микроволновой анизотропии NASA (Microwave Anisotropy Probe — MAP) предназначен для составления карты микроволнового фона по всему небу, причем более точной, чем все предыдущие. (Анизотропия — это отличие пространства по физическим свойствам, таким как температура и плотность, в одном направлении, от аналогичных свойств в другом направлении.) Это будет самое тщательное (изо всех, проводившихся когда-либо) исследование вопросов о расширении Вселенной, ее формы и ее судьбы — будет ли она расширяться вечно или гравитация в конце концов остановит расширение и приведет к сжатию.

 О ходе выполнения проекта MAP можно узнать на Web-сайте по адресу map.gsfс. nasa.gov.

Источники формирования галактик

Космический микроволновой фон (слабый шелест излучения, оставшегося от Большого Взрыва) — это фотография Вселенной в возрасте примерно 300 тысяч лет. До этого времени "туман из электронов" окутывал юную Вселенную и излучение, порожденное Большим Взрывом, не могло свободно выходить в пространство. Оно снова и снова поглощалось и рассеивалось этими отрицательно заряженными частицами.

А в возрасте примерно 300 тысяч лет Вселенная остыла достаточно для того, чтобы электроны объединились с атомными ядрами. И когда произошло это объединение, поглощающий туман рассеялся. И свет, который излучала Вселенная в возрасте 300 тысяч лет, мы сегодня регистрируем как микроволны и излучение дальней инфракрасной области спектра.

Когда космический микроволновой фон впервые обнаружили в 1960-х годах, казалось, что у него по всему небу совершенно одинаковая температура. Не было видно никаких пятен, которые были бы хоть немного горячее или холоднее. И это было непонятно, потому что незначительные колебания температуры необходимы для объяснения того, как во Вселенной из однородного "бульона" частиц и излучения в конце концов образовались галактики, звезды и планеты.

Согласно теории, юная Вселенная не была абсолютно однородной. Должны были существовать места с чуть более высокой и чуть более низкой плотностью (ведь и в каше бывают комки), где больше или меньше атомов в расчете на кубический сантиметр соответственно. Это и есть те "семена", источники, вокруг которых начала накапливаться материя и возникли галактики. И эти колебания плотности сегодня должны наблюдаться в виде незначительных колебаний температур космического микроволнового фона.

В 1992 году спутник NASA для исследования космического фона (Cosmic Background Explorer), который измерил температуру микроволнового фона с небывалой точностью, получил сенсационные результаты: он обнаружил горячие и холодные пятна в космическом микроволновом фоне.

На самом деле обнаруженные температурные колебания очень незначительны — меньше чем на десятитысячную долю градуса по Кельвину выше или ниже средней температуры, равной 2,73 °К. Тем не менее эти "космические неровности" достаточно велики для того, чтобы послужить причиной формирования структур во Вселенной.

Постоянная Хаббла и возраст Вселенной

Каков возраст Вселенной? После многолетних ожесточенных споров некоторые астрономы пришли к выводу, что они установили это число — с точностью примерно 10 %. По их оценкам, Вселенной или около 12, или около 13,5 миллиарда лет. Первая цифра означает, что Вселенная будет расширяться вечно, но все медленнее и медленнее, а вторая — что какая-то таинственная сила ускоряет расширение Вселенной (см. раздел "Темная энергия: расширение ускоряется?" выше в этой главе)[39].

Насколько быстро движутся галактики?

Оценки возраста Вселенной в значительной степени зависят от числа, которое занимало астрономов в течение десятилетий, — это постоянная Хаббла, представляющая собой скорость расширения Вселенной в настоящее время. Поиски этого числа начались в 1929 году, когда астроном Эдвин Хаббл обнаружил доказательства того, что мы живем в расширяющейся Вселенной. В частности, он сделал замечательное открытие: все далекие галактики (находящиеся за пределами Местной Группы Галактик, о которой говорилось в главе 12), похоже, удаляются от нашей родной галактики, Млечного Пути.

При этом Хаббл обнаружил, что чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Представим, например, две галактики, одна из которых в 2 раза дальше от Млечного Пути, чем другая. Так вот: галактика, которая в 2 раза дальше, удаляется в 2 раза быстрее. (По общей теории относительности Эйнштейна сами галактики не движутся; расширяется ткань пространства, в которую они включены.) Это соотношение называется законом Хаббла.