Вчерашний день Метагалактики
Теоретическое моделирование имеет важное значение не только для изучения геометрических свойств окружающего нас мира и природы происходящих в нем физических процессов, но и для выяснения прошлого и будущего наблюдаемой Вселенной. Это в свою очередь позволило бы лучше понять закономерности ее строения и развития.
В 1922 г. ленинградский математик А. А. Фридман занялся разработкой оригинальной теоретической модели Вселенной. Он предположил, что средняя плотность материи в пространстве не является постоянной, а меняется с течением времени.
Решая при этом условии уравнения тяготения Эйнштейна, Фридман пришел к выводу, что любая достаточно большая область Вселенной, равномерно заполненная материей, не может находиться в состоянии равновесия: она должна либо расширяться либо сжиматься.
Еще в 1917 г. американский астроном В. М. Слайфер обнаружил «красное смещение» спектральных линий в спектрах далеких галактик. Как мы уже знаем, подобное смещение наблюдается в тех случаях, когда источник света удаляется от наблюдателя.
В 1929 г. другой американский астроном Э. Хаббл выдвинул предположение о том, что красное смещение в галактических спектрах объясняется взаимным разбеганием этих звездных систем.
Дальнейшие исследования показали, что явление «красного смещения» наблюдается в спектрах почти всех галактик, за исключением нескольких ближайших. При этом Хабблу удалось выяснить, что чем дальше расположена от пас галактика, тем больше сдвиг линий в ее спектре. Все это давало основание считать, что почти все известные нам звездные системы удаляются от нас с огромными скоростями в сотни, тысячи и десятки тысяч километров в секунду, причем более далекие галактики обладают и большими скоростями. Другими словами, получалась картина движения галактик, хорошо согласующаяся с теоретическими выводами Фридмана.
Правда, впоследствии был сделан целый ряд попыток объяснить явление «красного смещения» не удалением галактик, а какими-либо другими причинами. Высказывались предположения о том, что свет на пути в космическом пространстве тем или иным образом теряет часть своей энергии. Однако ни одна из подобных гипотез успеха не имела. А после того как эффект красного смещения, был обнаружен и и радиодиапазоне, в его доплеровской природе не осталось больше никаких сомнении. Наблюдаемая Вселенная действительно расширяется.
В настоящее время известны галактики, которые удаляются от нас со скоростями, достигающими 0,46 скорости света. Более того, в последние годы были открыты особые космические объекты (о которых более подроби;) речь будет идти в одной из следующих глав), так называемые сверхзвезды, или квазары, которые удаляются от нас со скоростями, достигающими 0,85 скорости света.
На первый взгляд может сложиться впечатление, что поскольку галактики разбегаются от пас во всех направлениях, то мы находимся как раз в центре расширения. Но это не так. Дело в том, что расширение или сжатие материальной системы может происходить различными способами. Представим себе, что несколько человек растягивают во все стороны круг листовой резины, центр которого неподвижно закреплен. Это будет расширение от одного общего центра — все точки растягивающейся резины как бы убегают в разные стороны от одной неподвижной точки. Однако может иметь место и другой случай, когда в расширяющейся системе пет пи одной неподвижной точки, иными словами, не существует центра расширения. В этом случае две любые точки системы с течением времени будут удаляться друг от друга. В какой бы точке подобной системы ни располагался наблюдатель, у него будет создаваться иллюзия, что именно он находится в центре расширения.
Итак, чем дальше расположена от нас та ил» иная галактика, тем быстрее она движется. Однако не следует думать, что более далекие галактики движутся «большими ускорениями. Это означало бы, что на галактики постоянно действует какая-то сила, которая заставляет их разбегаться. Ведь ускоренное движение совершается только под действием силы. Между тем разбегание галактик вызвано иной причиной. Видимо, в отдаленном прошлом материя в нашей области Вселенной находилась в сверхплотном состоянии. Затем произошел своеобразный «взрыв», в результате которого и началось расширение. Таким образом, действие силы, вызвавшей разбега пне космических объектов, было единовременным. Следовательно, в настоящее время галактики должны двигаться либо с постоянными скоростями, либо даже с замедлением из-за тормозящего действия общего гравитационного поля Метагалактики.
Почему же в таком случае более далекие галактики все же обладают большими скоростями? Это объясняется тем, что в начальный момент расширения различные объекты получили разные скорости. Те из них, которые обладали более высокими скоростями, за время, прошедшее с этого момента, должны были удалиться на более далекие расстояния.
Изучение картины расширения интересует астрономов прежде всего потому, что таким путем можно проникнуть в историю космических объектов. Кроме того, оно открывает возможность выбора между различными моделями наблюдаемой Вселенной. Теоретические расчеты показывают, что характер зависимости величины красного смещения от расстояния целиком определяется структурой пространства. Если бы удалось выяснить из наблюдений, какова именно эта зависимость, мы могли бы получить ответ на многие волнующие вопросы.
Для ближних к нам галактик величина красного смещения растет приблизительно пропорционально увеличению расстояния, пли, как говорят математики, линейно. Однако точные измерения величин красного смещения для более далеких галактик наталкиваются на целый ряд серьезных трудностей. Во-первых, трудно отделить красное смещение, связанное с расширением наблюдаемой Вселенной, от красного смещения, вызванного взаимными беспорядочными перемещениями звездных систем друг относительно друга. Во-вторых, методы измерения расстояний до далеких галактик пока что не дают, к сожалению, той точности, которая необходима.
Все же к настоящему времени астрономам удалось собрать достаточно большой материал. Анализ его приводит к выводу, что и для больших удалений линейная зависимость между величиной красного смещения и расстоянием сохраняется. Это, как показывают расчеты, во-первых, означает, что Метагалактика расширяется с замедлением, а, во-вторых, что пространство в нашей области Вселенной не является евклидовым.
В настоящее время, в особенности в связи с быстрым развитием радиоастрономии, точность межгалактических наблюдений быстро растет и, вероятно, уже в недалеком будущем проблема, о которой идет речь, получит точное решение.
Существует еще один способ, позволяющий выяснить дальнейшую судьбу Метагалактики. Он состоит в оценке средней плотности межзвездного газа, заполняющего межгалактическое пространство. Если эта плотность выше, чем 10 протонов на один кубический метр, то общее гравитационное поле Метагалактики достаточно велико, чтобы постепенно остановить расширение. В этом случае расширение должно с течением времени неизбежно смениться сжатием.
Существующие в настоящее время оценки плотности нейтрального водорода говорят о том, что эта плотность по крайней мере в миллион раз меньше критической. По это еще ничего не значит, так как основная масса межзвездного газа может находиться в ионизованном состоянии. Исследовать же излучение ионизованного газа чрезвычайно сложно, так как энергия этого излучения намного слабое энергии общего космического радио-шума и энергия излучения звезд.
Подобные измерения — также дело будущего.
Еще одна чрезвычайно интересная проблема, связанная с «расширяющейся Вселенной» — это вопрос о том, в каком состоянии находилась материя до начала расширения. В свете современных астрономических данных пет особых причин сомневаться в том, что это состояние было во всяком случае состоянием чрезвычайно высокой плотности. Поэтому ни общая теория относительности, ни любая из разработанных моделей Вселенной, в том числе и модель Фридмана, для этой эпохи непригодны. Таким образом, когда мы в рамках теории относительности говорим о начале Метагалактики, то фактически имеется в виду тот момент, когда протоматерия достигла такого состояния, которое уже может быть описано уравнениями теории относительности.
Поэтому на протяжении длительного времени астрономы и физики пытались решить вопрос о физическом состоянии начального сверхплотного вещества путем создания различных гипотез. Согласно одной из них первоначальное вещество Метагалактики представляло собой «холодную» смесь протонов, т. е. ядер атомов водорода, электронов и нейтрино.
Наоборот, другая гипотеза исходила из того, что в отдаленном прошлом, в эпоху сверхплотного состояния: температура была очень велика, а плотность излучения даже превосходила плотность вещества.
Какой из гипотез следовало отдать предпочтение - «холодной» или «горячей»? Как и всегда, па этот вопрос могли ответить только наблюдения.
Но разве можно наблюдать события, происходившие около 10 млрд. лет назад (именно таков, согласно современным оценкам, срок, отделяющий нас от начала расширения Метагалактики)? Оказывается, в принципе подобная возможность существует. Ведь электромагнитные излучения распространяются со скоростью света. Следовательно, излучения, которые приходят на Землю с расстояний порядка 10 млрд. световых лег, относятся как раз к тем отдаленным временам, которые нас интересуют.
Однако до поры до времени возможность наблюдения первоначального или, как его теперь называют, реликтового излучения оставалась чисто теоретической. Как это часто бывает в науке, на помощь пришел случай.
В 1965 г. американские радиофизики А. Пенциас и Р. Вилсон производили на одном из крупных радиотелескопов наблюдения, связанные с разработкой системы связи при помощи искусственных спутников Земли. Неожиданно ученые обнаружили непонятный шумовой фон па волне 7,3 см. Они с большой тщательностью учли все возможные источники электромагнитного излучения и атмосфере Земли и в космосе (в том числе излучение всех известных звезд и галактик), но таинственный фон не исчезал. В поисках причин ученые даже демонтировали радиотелескоп, с тем чтобы устранить возможные погрешности в аппаратуре. По и после самой тщательной проверки заново собранный инструмент показывал то же самое. К тому же оказалось, что таинственный радиошум совершенно не зависел от направления антенны. Он шел равномерно со всех сторон. Мало того, его величина не зависела и от времени. Наблюдения велись на протяжении нескольких месяцев, и в течение всего этого срока она оставалась постоянной. Так было обнаружено реликтовое радиоизлучение, возникшее в эпоху начала расширения Метагалактики.
Электромагнитные волны можно рассматривать как поток фотонов (элементарных порций излучения), как своеобразный «фотонный газ». Температура этого реликтового «фотонного газа» оказалась равной трем градусам абсолютной температуры (3° шкалы Кельвина — = 3°К). А это, согласно теоретическим расчетам, означает, что протоматерия должна была находиться в горячем состоянии. Но именно такую современную температуру реликтового излучения (от 1 до 10° К) предсказывала теория Гамопа. Согласно этой теории примерно около 10 млрд. лет назад плотность вещества была равна ядерной плотности. Это была горячая плазма, состоящая из элементарных частиц фотонов (излучения). По мере расширения плотность вещества и его температура уменьшались, убывала и плотность излучения. Электромагнитные волны как бы «растягивались» и превращались в радиошумы. «Фотонный газ» постепенно охлаждался. Его современная температура, равная 3° К, как раз и свидетельствует о том, что протоматерия должна была находиться в горячем состоянии.
Интересно отметить, что обнаружение реликтового излучения является независимым косвенным свидетельством в пользу теории расширяющегося мира.
Теперь представляется возможным, основываясь на законах, известных современной физике, попытаться представить ход событий па первых стадиях расширения Метагалактики.
Уже через одну секунду после начала расширения сверхплотной исходной плазмы средняя плотность вещества снизилась примерно до 500 кг/см3, а температура составляла около 1013 градусов. При этих условиях атомных ядер еще не существовало, а на каждые пять протонов приходился только один нейтрон.
В течение следующих ста секунд плотность снизилась, упала и температура. В результате объединения протонов и нейтронов появились ядра атомов гелия.
В дальнейшем, до тех пор, пока температура превосходила 4000°, протоны и электроны продолжали существовать раздельно, не объединяясь в атомы. Эта стадия продолжалась несколько сотен тысяч лет.
Что же касается последующего хода событий, то сведения, которыми располагает современная наука, еще недостаточны для того, чтобы проследить его однозначным образом.
Возможно, что после того как образовались атомы водорода (т. е. водород сделался нейтральным), началось постепенное формирование горячих, но уже сравнительно менее плотных водородных облаков, из которых па следующем этапе образовались галактики и звезды.
Однако нельзя отбрасывать и другую возможность. В процессе расширения могли каким-то образом сохраниться устойчивые сгустки сверхплотного дозвездного вещества. Распад этих сгустков (который продолжается и до настоящего времени) и привел к образованию звезд и галактик.
Не исключено также, что в той пли иной степени действовали оба механизма, о которых идет речь.
Интересно, между прочим, отметить, что согласно данным современной радиоастрономии на расстоянии около 9 млрд. световых лет расположено очень большое число радиоисточников. Сопоставление ряда косвенных данных наводит на мысль о том, что наиболее интенсивное образование космических радиоисточников происходило в промежутке от полумиллиарда до миллиарда лет после начала расширения.
|
|
Читайте в рубрике «Галактики Вселенной»: |