Парадоксы стационарной вселенной
Введение
Наша Галактика входит в так называемую «локальную группу», включающую несколько крупных систем и более двух десятков скоплений меньшего размера. Ближайшими к нам являются два Магеллановых Облака на расстоянии менее 200 000 световых лет, которые можно изучать с большой подробностью. Немного дальше отстоит М.31 в созвездии Андромеды и спираль М.33 в созвездии Треугольника.
За последние десять лет было открыто еще несколько спиральных галактик, которые могут принадлежать к локальной группе, но находятся в зоне главной плоскости Млечного Пути и очень плохо различимы, так как их затмевает блеск звезд нашей Галактики.
Мелкие представители локальной группы являются настоящими карликами; некоторые лишь ненамного превышают по размеру шаровые скопления и не имеют отчетливой формы.
Ближайшей из внешних карликовых систем является скопление в созвездии Стрельца, открытое в 1994 году Родриго Ибатой и его коллегами из Кембриджа. Оно находится на расстоянии примерно 80 000 световых лет, но расположено с дальней стороны Галактики, не более чем в 50 000 световых лет от ее центра. Как и Магеллановы Облака, оно является спутником нашей Галактики, но в отличие от них подвергается гравитационному распаду и через несколько сотен миллионов лет будет поглощено нашей Галактикой.
Локальная группа стабильна, а Галактика М.31 в настоящее время приближается к нам, хотя это не будет продолжаться вечно. Столкновения происходят время от времени, и с помощью космического телескопа Хаббла удалось обнаружить указания на двойную природу ядра М.31 - возможно, остаток меньшей системы, абсорбированной в далеком прошлом,- хотя это всего лишь интерпретация, и у нас нет полной уверенности.
За пределами локальной группы мы обнаруживаем другие крупные скопления галактик, многие из которых гораздо больше нашей.
Скопление в созвездии Девы на расстоянии около 50 000 000 световых лет содержит много сотен галактик, включая гигантскую эллиптическую М.87, которая также является мощным источником радиоизлучения (радиоастрономы называют ее «объект Дева А»). Возможно, что скопление в созвездии Девы является ступицей огромного количества систем, которое называется локальным сверхскоплением, но все группы удаляются от нас и друг от друга. Это означает, что Вселенная в целом расширяется.
1. Квазары и радиоизлучение
Задолго до того, как Хаббл приступил к работе, Сильвестр Слипер из Лоуэлловской обсерватории сделал важное открытие. Он обнаружил, что, кроме систем, содержащихся в местной группе, все галактики обнаруживают красное смещение в своем спектре. Если допустить, что это эффект Доплера, то значит, галактики разбегаются во всех направлениях. Когда Хаббл измерил расстояние, стало ясно, что мы не находимся в привилегированном положении и расширение действительно происходит повсюду.
Цефеиды оказывают бесценную помощь при измерении расстояний до близких галактик, но когда мы имеем дело с более отдаленными системами, отдельные переменные звезды сливаются с общим фоном и приходится искать другие средства.
Мы можем пользоваться сверхгигантами, исходя из предположения, что наиболее яркие звезды в других галактиках имеют примерно такую же светимость, как самые яркие звезды Млечного Пути. Можно также пользоваться сверхновыми звездами. Но в конце концов даже блеска сверхновой оказывается недостаточно, и мы возвращаемся к красному смещению. Измерив скорость удаления, можно приблизительно оценить расстояние. Хотя здесь неизбежны неточности, нам представляется, что наиболее отдаленные системы находятся на расстоянии примерно 13 миллиардов световых лет от нас и удаляются со скоростью, составляющей более 90% скорости света.
Следует сделать одно предупреждение. Некоторые астрономы, особенно Хэлтон Арп и сэр Фред Хойл, считают, что красное смещение не является чисто доплеровским эффектом и в нем присутствует значительный элемент, не связанный со скоростью.
Это мнение основано на любопытном факте: некоторые системы, соединенные «мостами» светящегося материала, кажутся связанными друг с другом, однако имеют совершенно разное красное смещение в своих спектрах. Если эта интерпретация правильна, то все расчеты для области за пределами нашей собственной Галактики недостоверны и многие излюбленные теории придется пересмотреть либо отвергнуть. Пока что мы будем придерживаться официальной точки зрения, но в глубине души я считаю, что Арп и Хойл со временем окажутся правы.
К 1963 году радиоастрономия вышла на передовые позиции. Были составлены каталоги источников радиоизлучения, особенно при участии кембриджских астрономов.
Главная проблема заключалась в отождествлении источников с оптическими объектами; в те дни радиотелескопы были далеко не такими точными, как сейчас. Но природа снова пришла на помощь. Сильный источник ЗС-273 (273-й объект в третьем кембриджском каталоге) был временно закрыт Луной, и это позволило определить его положение с большой точностью, отождествив его с бледно-голубой звездой. После изучения ее оптического спектра, выполненного Маартеном Шмидтом в Па-ломарской обсерватории, астрономы испытали настоящее потрясение: ЗС-273 был совсем не звездой, а чем-то гораздо более необычным. Спектр вообще не принадлежал какому-либо из известных звездных классов и обнаруживал линии водорода наряду с огромным красным смещением. Это означало, что объект очень отдаленный и невероятно мощный; однако он выглядел очень маленьким. Как может такой небольшой источник излучать столько энергии? Если красное смещение дает настоящий ключ к расстоянию, то этот первый «квазар», или квазизвездный объект, был гораздо более мощным, чем любая обычная Галактика.
Вскоре были открыты другие квазары, и теперь известны сотни подобных объектов, хотя далеко не все они являются источниками радиоизлучения. Нет сомнений, что это ядра очень активных галактик, возможно, усиленные сверхмассивными черными дырами. Не исключено, что многие галактики проходят через временную стадию квазаров в своей эволюции.
Среди квазаров существует своя градация: так называемые объекты типа BL-Ящерицы довольно значительно отличаются по облику от квазаров, но являются очень мощными источниками радиоизлучения. Есть даже предположения, что все квазары принадлежат к одному классу, а различия обусловлены углом наблюдения.
Квазары сияют так ярко, что их можно видеть, когда обычные галактики исчезают, сливаясь с общим фоном. Иногда мы получаем множественное изображение - не потому, что квазар действительно состоит из отдельных компонентов, а потому, что его свет проходит через Галактику, которая играет роль линзы и воспроизводит несколько образов одного и того же квазара.
К числу подобных феноменов принадлежит так называемый «лист клевера», когда четыре образа квазара окружают Галактику, создающую эффект линзы.
2. Структура Вселенной
вселенная квазар радиоизлучение
Существует четкая крупномасштабная структура со «стенами» и сверхскоплениями, а также огромными пустотами, где лишь изредка можно встретить звездные объекты. Но есть также огромное количество вещества, которое мы не видим, и это ставит нас перед одной из самых насущных проблем современной космологии. Речь идет о проблеме отсутствующей массы.
Галактика типа нашей вращается, и отдельные звезды движутся вокруг центра системы. Согласно законам Кеплера, близкие звезды должны двигаться быстрее всего, наподобие планет Солнечной системы, но этого не происходит, и орбитальные скорости не совпадают с теоретическими расчетами. Единственный вывод заключается в том, что основная масса Галактики не сосредоточена в центре системы и существует огромное количество невидимого материала. Это также объясняет, почему скопление галактик сохраняет свои отдельные элементы. Там недостаточно видимого вещества, чтобы они были стабильными; следовательно, мы имеем дело с «темным веществом» непонятной природы.
Было далее подсчитано, что видимый материал во Вселенной - планеты, звезды, галактики и так далее - составляет не более десяти процентов общей массы. Все остальное не поддается определению.
Что же это может быть? Возможно, масса сосредоточена в бесчисленных черных дырах? Или есть такие слабые звездные скопления, что их нельзя увидеть? Или природа темного вещества совершенно чужда нам и современные приборы не в силах зарегистрировать его присутствие? Пока что мы не знаем, но проблема приобретает фундаментальное значение, когда мы подходим к обсуждению прошлого и будущего Вселенной. В особенности нам хочется знать, будет ли нынешнее расширение продолжаться до бесконечности, или общей массы все же достаточно, чтобы расширение когда-нибудь прекратилось. Это приводит нас к вопросу о происхождении самой Вселенной.
Есть два возможных ответа. Либо Вселенная зародилась в определенный момент времени, либо она существовала всегда. Обе эти идеи в равной мере трудны для понимания. Мы не можем представить себе период времени, не имеющий начала, и точно так же бесполезно даже пытаться понять, каким образом вещество обрело бытие. Неопровержимый факт заключается в том, что мы существуем, а значит, атомы и молекулы, из которых состоит все во Вселенной, должны откуда-то происходить. Если мы примем другое объяснение и предположим, что Вселенная началась с Большого Взрыва около 15 миллиардов лет назад, то нам придется задать вопрос, что же происходило раньше. На это можно лишь ответить, что если время, пространство и вещество появились одновременно, то никакого «раньше» вообще не было.
3. Нестабильность вселенной
Данные астрономических наблюдений свидетельствуют не в пользу стабильной Вселенной, и если мы начнем с Большого Взрыва, то по крайней мере можем восстановить всю последовательность событий, заканчивая появлением человека на Земле. Вселенная родилась; она была очень маленькой и невероятно горячей. Мы не можем сказать, где произошел Большой Взрыв, так как если пространство было создано в одно мгновение, то он произошел везде. Началось расширение - сначала очень быстрое (так называемый период раздувания), а затем более медленное. Температура упала, из первичного водорода образовались сложные атомы, а со временем образовались галактические туманности. Затем последовало формирование звезд, планет и - когда речь идет о Земле - органической жизни.
Судя по нынешней скорости расширения, мы можем подсчитать, что Большой Взрыв произошел от 15 до 20 миллиардов лет назад, с явным предпочтением по отношению к первой оценке. Слабые радиоизлучения, поступающие к нам со всех сторон, указывают на то, что фоновая температура Вселенной составляет около трех градусов выше абсолютного нуля (-273°С, самая низкая возможная температура). Предположительно, это является последним зримым проявлением Большого Взрыва. Если первоначально Вселенная начала расширяться во всех направлениях, то непросто понять, как сформировались галактики, но в 1993 году специальный зонд СОВЕ, предназначенный для исследования фоновых излучений, зарегистрировал слабые неравномерности в их распределении, и таким образом было устранено еще одно крупное возражение против теории Большого Взрыва.
Подходя к вопросу о том, как именно произошел Большой Взрыв, мы вынуждены признать свое полное невежество, так как все обычные законы физики в данном случае утрачивают силу. Я как то сравнил это с положением разумного внеземного существа, посетившего Землю с коротким визитом и в течение получаса наблюдающего за оживленной улицей. Существо видит младенцев, детей, взрослых и пожилых людей. Если оно достаточно умное, то поймет, что младенец становится ребенком, а ребенок взрослым человеком, и сможет определить цикл развития человека, но если кто-нибудь не расскажет ему о реалиях человеческой жизни, оно никогда не узнает, каким образом дети появляются на свет. В космологии нашим «младенцем» является Большой Взрыв.
Мы не знаем, будет ли расширение продолжаться до бесконечности или сменится сжатием. Здесь мы снова возвращаемся к вопросу о средней плотности вещества во Вселенной. Если масса превосходит определенную критическую величину, расширение прекратится, галактики снова начнут сближаться; где-то через 80 миллиардов лет произойдет новый Большой Взрыв, и цикл повторится. Если общей массы недостаточно, то расширение будет продолжаться до тех пор, пока все группы галактик не утратят контакт друг с другом. При первом сценарии Вселенная напоминает часы с регулярной заводкой пружины; при втором сценарии она больше похожа на часы, заведенные один раз, которые в конце концов должны будут остановиться. Мы испытываем сходные трудности при определении фактического размера Вселенной. Является ли она конечной? И все же у нас есть одна путеводная нить. Если правило «чем дальше, тем быстрее» соответствует действительности, то мы приходим к расстоянию, когда система удаляется от нас со скоростью света. Тогда мы никак не можем видеть ее и автоматически приходим к границе наблюдаемой Вселенной, хотя не обязательно Вселенной в целом. Вероятно, пограничное расстояние составляет около 15 миллиардов световых лет. Есть надежда, что усовершенствованный космический телескоп Хаббла сможет вывести нас за внешние пределы, но пока остается лишь ждать и строить догадки.
Заключение
В 1994 году телескоп Хаббла предоставил в распоряжение ученых довольно удивительную информацию. Очень точное измерение расстояния до Галактики М.100 в скоплении Девы, вместе с ин4юрмацией о ее скорости убегания, указывает на то, что Большой Взрыв мог произойти позже, чем предполагалось. В таком случае возраст Вселенной составляет менее 12 миллиардов лет. Если это верно, то возраст самых старых звезд не должен превышать эту цифру - ведь едва ли допустимо полагать, что звезда может быть старше Вселенной.
Как бы то ни было, наши знания об эволюции Вселенной являются еще далеко не полными. Мы прошли долгий путь с тех пор, как Земля считалась центром Вселенной, а небо со всеми его чудесами - божественным благодеянием для человечества. Однако мы до сих пор слабо ориентируемся в фундаментальных вопросах и не можем претендовать на то, что добились большого прогресса в понимании самой важной проблемы, или проблемы Творения. Возможно, когда-нибудь мы найдем ответ.
Список использованной литературы
1.Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания/М.: Академический Проект, 2001.
2.Мур П. Астрономия с Патриком Муром/М.: ФАИР-ПРЕСС, 2001.
.Самыгина С.И. «Концепции современного естествознания»/Ростов н/Д: «Феникс», 1997.
.Эйнштейн А. Эволюция физики/М.: Устойчивый мир, 2001.