Текст книги "Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках"

Автор книги: Лев Мухин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 17 страниц)

Здесь следует вкратце остановиться на одном важном обстоятельстве. Мы уже говорили о существенном ограничении наблюдений в видимом диапазоне: свет заметно поглощается межзвездной средой. В то же время в видимом диапазоне земная атмосфера довольно прозрачна. Атмосфера очень сильно «режет» коротковолновую часть спектра, начиная с ультрафиолетового излучения; что касается инфракрасного (ИК) диапазона, то молекулы воды и углекислого газа, всегда присутствующие в атмосферном воздухе, поглощают в этом диапазоне довольно сильно. К счастью, между полосами молекулярного поглощения воды и углекислоты есть узкие окна, в которых можно вести наблюдения. Кроме того, если поднять прибор на аэростате, шаре, зонде, задача наблюдения существенно облегчается. В ряде случаев можно проводить наблюдения в ИК-диапазоне даже с высокогорных обсерваторий. Что касается радиодиапазона, то атмосфера практически прозрачна для радиоволн длиной от 1 сантиметра до 20 метров. Теперь ясно, что сам факт поглощения электромагнитных колебаний земной атмосферой в значительной мере стимулировал проведение спектральных измерений на больших высотах и в космосе. В настоящее время есть проекты размещения в космосе и оптического телескопа, причем с довольно большим зеркалом, диаметром более двух метров. Отсутствие атмосферы даже для видимого диапазона даст огромный выигрыш при наблюдениях.

Но вернемся к ИК-астрономии. Можно без преувеличения сказать, что измерения в ИК-диапазоне внесли решающий вклад в исследование химического состава атмосфер планет. Благодаря именно этим измерениям нам удалось узнать, что атмосфера Венеры состоит не только из углекислого газа, она содержит такие экзотические молекулы, как угарный газ, хлористый и фтористый водород, а в облаках Венеры присутствует серная кислота. В атмосферах Венеры и Марса удалось обнаружить пары воды и определить их количество, в облаках Юпитера нашли аммиак, узнали, из чего состоят кольца Сатурна, оценили химический и минералогический состав грунта Луны, Марса, астероидов, спутников Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна.

Наблюдая Юпитер и Сатурн, удалось открыть внутренние потоки тепла от этих планет. Другими словами, оказалось, что и Юпитер и Сатурн отдают в пространство больше тепла, чем получают его от Солнца.

С помощью ИК-измерений удалось сделать поразительные открытия не только в мире планет, но и в мире звезд. Именно здесь и сказалось решающее преимущество ИК-излучения перед видимым светом: пыль и газ в межзвездном пространстве поглощают видимый свет во много раз сильнее, чем излучение в ИК-диапазоне. С помощью измерений в инфракрасном диапазоне были открыты так называемые ИК-звезды, которые в обычные телескопы были видны как объекты 20^m (20-й звездной величины), а в ИК-диапазоне они светили как объекты 0^m. Разница гигантская – в 20 звездных величин!

Температура этих звезд оказалась очень низкой (по звездным меркам) – всего 2000 К. В атмосферах многих холодных звезд есть вода и окись углерода. Около некоторых звезд, и молодых и старых, существуют пылевые оболочки, а совсем недавно было установлено, что есть звезды, и среди них одна из самых близких к нам – Вега, окруженные пылевыми дисками. Возможно, эти образования и есть знаменитые протопланетные туманности. Быть может, по соседству с нами вскоре отыщут звезды, имеющие планетные системы!

С помощью ИК-астрономии были открыты протозвездные объекты и загадочные тела промежуточной массы между звездами и планетами. Один из них имеет массу в десять раз большую, чем Юпитер, но соответственно меньшую, чем наш желтый карлик – Солнце.

Астрофизики, используя возможности ИК-астрономии, впервые получили изображение центра нашей Галактики. Была изучена структура этого района, и удалось обнаружить, что в центре нашей звездной системы расположен точечный источник инфракрасного излучения. Но что это такое? Сегодня мы не можем ответить на этот вопрос. Мир астрономии поистине неистощим на сюрпризы.

Новые сведения об окружающем мире идут не только с длинноволнового конца спектра. Коротковолновый диапазон в этом смысле старается «не отставать» от радиоволн и ИК-излучения. Но здесь уже нужно учесть то обстоятельство, что научную информацию ученые получают в этом диапазоне длин волн только с больших высот и из космоса: атмосфера задерживает, «режет» коротковолновую, высокоэнергичную часть спектра.

С одной стороны, это, безусловно, хорошо. Хорошо хотя бы в том смысле, что если бы ультрафиолетовое излучение Солнца могло достигнуть поверхности Земли, то очень скоро наша планета превратилась бы в безжизненную пустыню. Ведь ультрафиолетовое излучение Солнца губительно для всего живого. Но так как наша планета имеет атмосферу, а в ней есть слой озона, поглощающий жесткий ультрафиолет, то мы можем жить спокойно, а астрономы должны использовать высотные ракеты и спутники для исследования различных объектов в коротковолновой части спектра – ультрафиолете, рентгене и гамма-диапазоне.

Ультрафиолетовое излучение особенно заметно в спектрах горячих молодых звезд, имеющих высокую температуру. Ну, и конечно же, наше Солнце является мощнейшим источником ультрафиолета, поскольку эта звезда ближе всего к нам. Я не буду много говорить сейчас об исследовании в ультрафиолетовой области спектра. Укажу лишь на один замечательный пример.

В мире звезд существуют так называемые белые карлики – маленькие, горячие звезды очень высокой плотности. Если бы нам удалось зачерпнуть вещество белого карлика чайной ложкой и взвесить его, стрелка весов остановилась бы около деления 5 тонн. Так вот, теория белых карликов была создана уже давно, но они очень трудно наблюдаемы в видимом диапазоне из-за малых размеров. До 1975 года по этой причине не проводилось прямых измерений размеров белых карликов. Но когда на спутнике «Коперник» были проведены измерения в ультрафиолете, оказалось, что максимум излучения Сириуса-Β лежит в области 1100 А, что соответствует температуре поверхности звезды около 30 000 К. Теперь по известной для Сириуса-Β видимой звездной величине можно было вычислить радиус звезды. Он оказался равным 4200 километрам, меньше, чем радиус Земли. Интересно, что последующие измерения дали более низкую цифру – 26 000 К. Но система Сириуса светит еще и в рентгене, и этой температуры не хватает для объяснения рентгеновского излучения. Пока причина этого неизвестна.

Если бы мы «закрыли» все участки спектра, кроме ультрафиолетового, ночное небо выглядело бы совершенно иначе, чем сейчас. На нем наблюдалось бы много очень ярких туманностей солидных размеров. Например, одна из них заняла бы все созвездие Ориона. Интересно выглядело бы в ультрафиолете Солнце: его внешние части были бы гораздо ярче диска звезды.

Отправимся теперь в область самой коротковолновой астрономии – рентгеновскую и гамма. Здесь уже телескопы совсем не похожи на оптические или радио. Это специальные физические приборы для регистрации жестких, то есть обладающих высокой энергией квантов, излучений в рентгеновском и гамма-диапазоне. Ясно, что кванты с высокой энергией могут рождаться в физических процессах с большим энерговыделением. Поэтому окно рентгеновской и гамма области спектра является окном в астрофизику высоких энергий. В первую очередь следует отметить открытие мощных рентгеновских источников – нейтронных звезд в тесных двойных системах. Мощность этих источников в сотни тысяч раз больше мощности Солнца, также излучающего в рентгеновском диапазоне.

Рентгеновские лучи принесли нам информацию о присутствии в межгалактическом пространстве внутри скоплений галактик горячей плазмы с температурой сто миллионов градусов. Мощными источниками рентгеновского излучения являются вспышки сверхновых, процессы «каннибализма» в мире галактик, вспыхивающие нейтронные звезды – барстеры.

Читателю не надо бояться новых загадочных терминов. Мы просто договоримся сейчас о том, что, когда разговор пойдет о мире галактик, нам станет понятно, что такое «каннибализм», беседуя о звездах, мы узнаем о барстерах и т. д. Сейчас же я хочу еще раз повторить, что наблюдения рентгеновского излучения в астрономии всегда связаны с высокими энергиями.

Рентгеновская астрономия приносит сюрпризы и неожиданности. В 1983 году советские и японские спутники зарегистрировали «внезапную смерть» источника Геркулес Х-1 в рентгеновском диапазоне. Почему? На очередной вопрос, поставленный природой перед астрофизиками, ответа пока нет.

Очень интересен рентгеновский источник Лебедь Х-1, который уже более десятка лет будоражит воображение астрофизиков. Наблюдения как будто не противоречат гипотезе о черной дыре, входящей в состав двойной звездной системы Лебедя, но… скажем прямо, имеются и альтернативные объяснения наблюдаемой картины. Конечно же, хотя на счету рентгеновской астрономии колоссальные достижения, открытие черной дыры было бы ее триумфом. Но пока триумф откладывается.

Здесь не следует забывать, что рентгеновская астрономия очень молода – лишь в 1970 году был запущен спутник «Ухуру», с помощью которого были сделаны фундаментальные открытия, например, нашли рентгеновские звезды – тесные двойные системы, где одним из компаньоном является нейтронная звезда.

Еще моложе гамма-астрономия. Лишь в 1972 году был запущен специализированный спутник для изучения гамма-излучения.

Сразу же уместно обсудить вопрос о том, какие процессы и объекты на небе могут быть источниками космического гамма-излучения? Таких источников несколько. Гамма-излучение может возникать, если энергичные протоны, входящие в состав космических лучей, или релятивистские электроны сталкиваются с ядрами межзвездных атомов или молекул. Релятивистские электроны могут порождать гамма-кванты при взаимодействии с квантами электромагнитного излучения различной энергии, заполняющими межзвездное пространство, и при движении в магнитных полях (синхротронное излучение). Поэтому огромные холодные газопылевые облака, заполняющие межзвездное пространство, обязательно должны были быть источниками гамма-излучения: ведь плотность вещества в них больше, чем в обычном межзвездном пространстве, и вероятность взаимодействия протонов космических лучей с содержимым облака соответственно повышается.

Изображение остатка сверхновой Кассиопеи Α в гамма-диапазоне.

Так оно и оказалось. Некоторые максимумы гамма-излучения на небе удалось отождествить с облаком в созвездии Орион, где происходит рождение звезд. Это облако находится сравнительно недалеко от нас: около 500 пс. Еще ближе (150 пс) к нам звезда ρ Змееносца. Около нее также расположено облако – источник гамма-излучения. На основе результатов спутниковой гамма-астрономии удалось даже построить «гамма-карту» части нашей Галактики, поскольку гамма-излучение в Галактике подчеркивает ее крупные детали.

Природа некоторых гамма-всплесков не понята до настоящего времени. Так, например, настоящая загадка – гамма-излучение от пульсара Паруса-Х. Он слабо светит в рентгене, но дает заметные всплески в радио-, в оптическом и в гамма-диапазоне. Так вот, оказывается, что за один и тот же промежуток времени в радиодиапазоне можно видеть один импульс, а в гамма– и оптическом – два. Почему – неясно.

5 марта 1979 года на небе был зарегистрирован мощный гамма-всплеск. Нельзя исключить того, что источником этого всплеска является вспыхнувший молодой пульсар – остаток взрыва Сверхновой, происшедшего в Большом Магеллановом Облаке. Есть на небе и гамма-источник CG 195+4, который излучает лишь гамма-кванты, не проявляя активности ни в каком другом диапазоне. Было открыто гамма-излучение от знаменитого квазара 3С 273. Мощность его гамма-излучения в сотни раз превышает полную мощность излучения всех звезд нашей Галактики. Причем она примерно такая же, как в радио и в оптическом диапазоне.

Даже из этих примеров видно, какие широкие перспективы открывает и какие важные задачи ставит перед астрофизиками гамма-астрономия.

Для исследований самых жестких гамма-квантов с энергиями 10²–10⁴ ГЭВ используются… оптические телескопы! Эта на первый взгляд невозможная вещь объясняется просто.

При прохождении сверхжестких гамма-квантов через атмосферу возникают очень энергичные электроны, вызывающие знаменитое «черенковское» излучение. Это излучение и можно в конце концов поймать при помощи оптического телескопа.

Итак, электромагнитные колебания являются сейчас основным источником информации в современной астрономии. Можно смело сказать, что астрономия не возникла бы как наука, если бы у нее не было глаз. Сначала это были просто глаза человека, затем они вооружились оптическими телескопами, затем появились радиотелескопы. Сейчас термины «рентгеновская, гамма-астрономия» общеприняты – астрономия стала всеволновой.

Но только ли электромагнитный спектр несет нам информацию о космосе? Конечно, нет. Ведь космос буквально «нашпигован» заряженными и незаряженными частицами. Это ядра атомов различных химических элементов, просто протоны высоких энергий и некоторые другие частицы. Все они объединяются в так называемые космические лучи. Исследование космических лучей также несет информацию о грандиозных катаклизмах, происходящих во Вселенной, в частности, о взрывах Сверхновых звезд, процессах в ядрах галактик.

На страницах оригинальных статей и обзоров все чаще появляется новый термин – нейтринная астрономия. Действительно, эти неуловимые из-за своего чрезвычайно слабого взаимодействия с веществом частицы могут дать исключительно важную информацию о внутреннем строении звезд, в том числе и нашего Солнца. Изучение реликтовых нейтрино, оставшихся после Большого Взрыва, принесло бы неоценимую информацию о первых мгновениях жизни нашей Вселенной. Но регистрация нейтрино – задача исключительной сложности. Это, кстати, мы увидим, когда речь пойдет о нашем Солнце и проблеме солнечных нейтрино. Тем не менее многие ученые считают, что нейтринная астрономия уже к концу этого века скажет свое веское слово. И мне кажется, что это будет очередная порция сюрпризов и загадок, которые природа до поры до времени держит про запас, а потом вдруг дает возможность прикоснуться к своим тайнам, то ли, чтобы подхлестнуть любопытство человека, то ли лишний раз щелкнуть его по носу.

Есть еще один очень интересный потенциальный источник информации из космоса. Это гравитационные волны – следствие ОТО. Большой бум в науке возник более 15 лет тому назад, когда бывший американский адмирал, большой энтузиаст астрофизики Д. Вебер объявил о том, что ему впервые удалось зарегистрировать таинственные гравитационные волны. Аппаратура Вебера состояла из алюминиевых цилиндров весом 4 тонны каждый.

Если на цилиндр подействует гравитационная волна, в нем должны возникнуть собственные колебания с частотой 1600 герц. Эти колебания можно регистрировать чувствительными приборами. Сначала Вебер использовал для измерения лишь один цилиндр. В этом случае, естественно, нельзя было дать никакой гарантии в том, что колебания цилиндра вызваны именно гравитационными волнами, а не какими-либо другими, более земными причинами. Поэтому-то и появилась вторая установка с гигантским алюминиевым цилиндром в Иллинойсе, чтобы можно было регистрировать гравитационные волны одновременно в разных точках земной поверхности.

На минуту отвлечемся от эксперимента Вебера и попытаемся понять, что такое гравитационные волны. Нам удастся это лучше всего, если мы вспомним два обстоятельства. Первое: теория электромагнитного поля и теория гравитации ОТО – две классические теории, оперирующие с силами бесконечного радиуса действия. Второе: знаменитый опыт Г. Герца с испусканием электромагнитных волн.

Теперь ясно, что, так же как и в классической теории электромагнитного поля, где колебания электрического заряда будут вызывать электромагнитные волны, в ОТО колебания массивного тела будут вызывать гравитационные волны. Источником гравитационных волн поэтому может быть процесс коллапса звезды в черную дыру, взрывы Сверхновых, тесные двойные системы с массивными компаньонами.

Но трудность состоит в том, что даже при наличии двойных систем и других источников гравитационных волн силы, вызываемые этими волнами, ничтожны. Если, например, Солнце находилось бы в системе двойной звезды и воображаемый компаньон, имеющий такую же массу, как Солнце, располагался на расстоянии одной астрономической единицы от нашего светила, гравитационное излучение составило бы всего 10^–14 от мощности электромагнитного излучения этих звезд. Именно поэтому, когда в 1969 году Вебер сообщил о том, что удалось зарегистрировать гравитационные волны, идущие от района центра Галактики, ему не поверили.

Результаты Вебера большинству ученых кажутся неубедительными и малоправдоподобными, поскольку мощность источника гравитационных волн в случае достоверности регистрации слишком велика. Для обеспечения подобной мощности должна существовать черная дыра, поглощающая в год массу вещества, равную нескольким тысячам масс Солнца.

Построенные позже более чувствительные, чем у Вебера, детекторы не зарегистрировали до сих пор гравитационного излучения. Тем не менее ОТО предсказывает это излучение, а некоторые астрономические наблюдения как будто указывают на существование этого излучения.

Что здесь имеется в виду? ОТО предсказывает, что в тесных двойных системах непрерывное излучение энергии в виде гравитационных волн должно изменять орбиты компаньонов системы и приводить, в частности, к уменьшению периода обращения.

Наблюдения за пульсаром PSR 1913+16 прекрасно согласуются с вычислениями, выполненными на основе ОТО. Если бы уменьшение периода можно было бы однозначно связать с гравитационным излучением, результаты наблюдений за PSR 1913+16 явились бы очередным триумфом ОТО и их с полной определенностью можно было бы трактовать как ясное доказательство гравитационного излучения. Но… к сожалению, уменьшение периода может быть вызвано и другими причинами.

Сегодня разрабатываются все новые и новые системы для детектирования гравитационных волн. Здесь особенно интересна идея использовать всю Землю в качестве детектора гравитационных волн, которые должны возбуждать в теле нашей планеты малые по амплитуде сейсмические волны. Подобные волны уже зарегистрированы, но (опять это «но») нужна схема совпадений, поскольку, если эти волны зарегистрированы лишь в одном детекторе (Земле), интерпретация не может считаться однозначной. В схему эксперимента предполагается дополнительно включить Луну. Если микросейсмы с определенными характеристиками будут одновременно зафиксированы и на Луне и на Земле, тогда можно будет праздновать победу новой отрасли астрономии – гравитационной.

Этап бурного развития наблюдательной астрономии во второй половине XX века неспроста называют «второй революцией». Первая связана с именами Коперника и Галилея, вторая – с освоением практически всего диапазона электромагнитных колебаний и полным техническим перевооружением астрономов.

На очереди – решение увлекательных загадок Вселенной: поиск цивилизаций, выяснение природы квазаров, решение проблемы скрытой массы и многое другое. На очереди – вынос в космос больших оптических и радиотелескопов, создание космической голографии – получение трехмерных изображений некоторых объектов, измерение угловых расстояний в 10^–8 секунды дуги, в десять тысяч раз более высокая точность, чем сегодня. Одним словом, реальные перспективы исследования новых загадок окружающего нас мира становятся все более и более реальными.

Галактики

Зеркальный телескоп. 1750 год.

Что такое галактика?

Читателям, интересующимся научной фантастикой, хорошо известно имя Ф. Хойла – автора нашумевших бестселлеров «Черное облако» и «Андромеда». Астрофизики знают Хойла как блестящего ученого, одного из творцов теории происхождения химических элементов и теории стационарной Вселенной, зачинателя многих направлений современной космологии и астрофизики, человека, вся научная деятельность которого – бенгальские огни новых, оригинальных идей.

Двадцать лет назад Хойл написал научно-популярную книгу «Галактики, ядра и квазары», в которой он высказывает довольно пессимистическую точку зрения по поводу имеющейся информация о происхождении галактик. «О происхождении галактик почти ничего не известно», – пишет он в своей книге. Прошло 20 лет после выхода в свет книги Хойла, и сегодня приходится признать, что общепринятой, канонической теории образования галактик не существует. Положение, быть может, не столь трагично, как писал Хойл, но тем не менее это один из самых трудных (и нерешенных!) вопросов современной космологии.

Далекие туманные объекты – туманности были замечены астрономами еще в XVII веке. О знаменитой туманности Андромеды впервые упомянул современник Галилея С. Мариус в 1612 году. Французский астроном Ш. Месье, известный своими открытиями комет, чтобы наблюдатели не путали кометы с туманностями, составил первый список туманностей, содержавший около ста объектов. Но лишь в 20-х годах нашего века удалось установить, что некоторые туманности – это гигантские звездные системы, находящиеся далеко за пределами нашей Галактики – Млечного Пути.

Постепенно астрономы выяснили, что эти системы сильно отличаются по форме и размерам друг от друга, и Хаббл составил знаменитую «камертонную диаграмму» – первую классификацию галактик, которая и по сегодняшний день широко используется в наблюдательной астрономии.

Все галактики Хаббл разбил на три основных вида: эллиптические, спиральные и неправильные. Составляя диаграмму, он полагал, что в ней отражен некий механизм эволюционных переходов от одного вида к другому. Это предположение впоследствии было отвергнуто, но классификация Хаббла, как мы говорили, используется и поныне. Что же касается очевидных различий в строении колоссальных звездных систем, то они связаны, по всей видимости, с условиями образования галактик.

Итак, посмотрим еще раз повнимательнее на камертонную диаграмму Хаббла. Очень многие из известных ныне астрономам галактик имеют эллиптическую форму. У самых крупных эллиптических галактик поперечник сравним с диаметром нашей Галактики, включая ее корону (примерно 10⁵ парсек), а масса их достигает 10¹³ солнечных масс. Таких гигантских эллиптических галактик сравнительно немного, и гораздо более распространены так называемые карликовые эллиптические галактики, имеющие размеры в поперечнике «всего» около 2000 парсек и содержащие несколько миллионов звезд (в нашей Галактике сотни миллиардов звезд, и она поэтому считается гигантской).

Камертонная диаграмма Хаббла.

Спиральные галактики были открыты первыми. Это сильно сплюснутые системы гораздо большей яркости, чем широко распространенные карликовые эллиптические галактики. Основное различие между обычными спиральными галактиками и спиралями с перемычкой заключается в форме ядра этих систем. Обычные, или нормальные, спирали имеют ядро приблизительно сферической формы, но у ряда спиральных галактик в области вытянутого ядра наблюдается перемычка.

На диаграмме Хаббла мы видим и линзовидные галактики. Они так же, как и спиральные, сильно сплюснуты и напоминают чечевицу, но у них нет спиральной структуры.

И наконец, еще один тип галактик – неправильные. К ним относятся, например, два основных «компаньона» нашей Галактики – Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако. Свое название «неправильные» эти звездные системы получили из за особенностей их видимой формы. Некоторые неправильные галактики несут на себе отпечатки мощных взрывных процессов, другие имеют искаженную форму за счет взаимодействия с соседними близкими галактиками.

Большинство галактик обладает «стадным» характером: они образуют скопления, большие и малые. Малые насчитывают десятки членов, большие – тысячи. Большое скопление в Волосах Вероники содержит примерно десять тысяч галактик, главным образом эллиптических. Размер этого огромного скопления около четырех мегапарсек.

Скопления галактик, в свою очередь, входят в состав еще более крупных структурных образований, которые называются сверхскоплениями. Эти самые крупные структурные ячейки Вселенной имеют размеры до сотни мегапарсек и массы, превышающие 10¹⁵ масс Солнца.

Именно галактики являются ключевым элементом в структуре наблюдаемой Вселенной, а проблемы образования галактик и структурирования мира – один из основных вопросов в современной космологии.

Здесь существует некоторая тонкость, на которую нам необходимо обратить внимание. Когда мы говорили о рождении нашего мира, мы подчеркивали что речь идет об однородной и изотропной Вселенной. И действительно, крупномасштабная структура мира в пределах той точности наблюдений, которой располагает современная астрономия, изотропна и однородна. Так, например, величина скорости разбегания галактик не зависит от того, в каком участке ночного неба проводятся измерения. То же самое можно сказать и о наблюдениях реликтового излучения, о числе далеких галактик в различных направлениях от Земли (но в достаточно больших сравниваемых объемах!).

Изотропность реликтового фона с полной определенностью свидетельствует о том, что распределение вещества Вселенной в эпоху отделения излучения от вещества было в высокой степени однородным. Это, по всей видимости, совершенно непреложный вывод. Но как согласовать его с очень сложной структурой сегодняшней Вселенной, которая определяется существованием галактик, их скоплений, и, наконец, сверхскоплений? Ведь совершенно ясно, что если бы расширение абсолютно однородной Вселенной было, в свою очередь, абсолютно однородным, то ни звезды, ни галактики не могли бы существовать в принципе. Вселенная в этом случае представляла собой однородный газ из атомов и элементарных частиц. Тем не менее в нашем мире мы можем наблюдать и звезды, и галактики. В чем же дело?

Рождение галактик

Еще раз вернемся к тому моменту, когда температура расширяющейся Вселенной упала до 4000 K. После Большого Взрыва прошло около миллиона лет. В это время в нашем остывающем мире произошли существенные перемены. Для нас сейчас особенно важно то обстоятельство, что Вселенная стала прозрачна для излучения. Произошло это по той причине, что электроны объединились в атомы с протонами и перестали участвовать в рассеянии фотонов. Излучение отделилось от вещества, и поэтому Вселенная стала для нас наблюдаемой.

Что это значит? Астрономия стала всеволновой. Наблюдения проводятся сейчас в широком диапазоне электромагнитных колебаний – от радиоизлучения до гамма-лучей. Естественно, чем дальше от нас находится объект, тем в более раннюю эпоху видит его астроном-наблюдатель. Свет от далеких галактик идет до Земли миллиарды лет, и мы видим эти галактики такими, какими они были миллиарды лет назад.

Ситуация здесь напоминает почтовые отправления. Распечатывая конверт и читая письмо, мы узнаем лишь о тех событиях, которые произошли до момента написания письма. В астрономии роль писем взяли на себя кванты электромагнитного излучения. Но расстояния между адресатами огромны, и поэтому мы в принципе не можем знать, что происходит с далекими объектами в данный момент времени. Ведь скорость передачи любой информации ограничена значением скорости распространения света.

Группа из пяти взаимодействующих галактик.

Галактика М 81.

Сталкивающиеся галактики.

Реликтовый фон дает сведения об эпохе отделения излучения от вещества, так как именно в это время электромагнитные колебания получили возможность свободно распространяться. Попытки наблюдений более ранней Вселенной напоминали бы попытки разглядеть что-либо в плотном тумане. Здесь речь идет, разумеется, о наблюдениях с помощью электромагнитных волн. Развитие нейтринной астрономии, безусловно, поможет заглянуть в более отдаленное прошлое нашего мира. Но на сегодня эта возможность отсутствует.

Что же говорит нам реликтовый фон об эпохе отделения излучения от вещества? Основной результат наблюдений состоит в том, что фоновое излучение однородно. В каком бы участке неба мы ни производили измерение свойств реликтового излучения, результат будет один и тот же. Но это означает, что и вещество в эпоху отделения было также очень однородным. А тогда мы снова сталкиваемся с противоречием между изначальной однородностью Вселенной и грандиозным разнообразием ее структуры. Где же выход?

Здесь уместно вспомнить о пророческой идее Ньютона, высказанной около 300 лет тому назад в письме к ректору Тринити колледжа в Кембридже Р. Бантли. Ньютон писал: «Но если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, оно никогда не собралось бы в единую массу. Часть его могла бы собраться в одну массу, а часть – в другую, так что образовалось бы бесконечное число больших масс, разбросанных по бесконечному пространству на огромных расстояниях друг от друга».

Именно эта мысль гениального Ньютона является одним из краеугольных камней современных теорий образования крупномасштабных структур Вселенной.

Второе важное обстоятельство, которое мы с вами обязательно должны принять во внимание: так называемые малые возмущения, флуктуации – небольшие отклонения от однородности и изотропии.

Действительно, одной лишь силы гравитации в бесконечной однородной среде недостаточно для ее структурирования. Необходимо наличие неких «затравок». Здесь напрашивается аналогия с образованием облаков в атмосфере. Хорошо известно, что водяной пар начинает конденсироваться на крохотных частичках, называемых ядрами конденсации. Этими ядрами могут быть, например, крупинки поваренной соли или сажи. Но и в том случае, если бы атмосфера не содержала этих ядер, процессам конденсации благоприятствовали бы незначительные флуктуации плотности, которые всегда имеют место в реальной атмосфере.

Конечно же, разница между ранней Вселенной и атмосферой, между галактиками и тучами велика. Тем не менее и в том, и в другом случае необходимы затравочные флуктуации. Для решения вопроса об эволюции этих флуктуаций необходимо учитывать их начальные размеры и, конечно же, тот факт, что флуктуации возникают в расширяющейся Вселенной. Дело в том, что статическая Вселенная была бы крайне неустойчива по отношению к локальному сжатию или расширению.

Постараемся понять физический смысл роста начальных флуктуаций плотности, запомнив при этом довольно печальную для любой теории вещь: происхождение флуктуаций, из которых в конце концов возникнут галактики, остается на сегодняшний день загадкой. Попробуем более подробно рассмотреть, какие процессы могут происходить в изначально полностью однородной и изотропной среде. Вообще говоря, такая среда не может быть устойчивой, поскольку в ней действуют различные силы. Какие же?