Текст книги "Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса"

Автор книги: Уильям Уоллер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 13 страниц)

Но как у этих галактик развилась спиральная структура? И как им удалось сохранить свой привлекательный облик на протяжении космологического времени? Сперва астрономы обратили внимание на диски этих галактик, где находятся спиральные рукава. Оказалось, что звезды и газ находятся в сдвиговом движении, так что вещество во внутреннем диске спиральной галактики вращается быстрее, чем вещество на ее внешнем диске. Степень сдвига составляет примерно 10 км/с на каждые 1000 световых лет галактического радиуса – это оказывает небольшой, но значительный эффект по сравнению с характерными скоростями вращения, составляющими 100–300 км/с. При таком сдвиге на диске сами собой образуются спиральные узоры. Просто представьте себе большое облако звездообразующего газа. И облако, и звезды, недавно рожденные в нем, сместятся в спиральный фрагмент, при этом внешние звезды будут отставать от внутренних. Соберите вместе несколько таких «звездных колыбелей», и в диске появится спиралевидный узор (рис. 8.3).

Возможно, подобный характер возникновения спиральных структур, в основу которого положен сдвиг звездообразующих облаков, объяснит «потрепанность» некоторых спиральных галактик – таких, как галактика Треугольника (М33) в одноименном созвездии и галактика Подсолнух (М63) в созвездии Гончих Псов, спиральные рукава у которых короткие и словно раздроблены на мелкие осколки. Однако он не в силах объяснить «великий замысел» таких спиральных галактик, как Водоворот (М51) в том же созвездии Гончих Псов или Вертушка (М101) в созвездии Большой Медведицы, у которых спиральные рукава обширны и в то же время четко очерчены. Кроме того, он не может объяснить и того, почему в некоторых спиральных галактиках с баром, таких как М94 в созвездии Гончих Псов и М95 в созвездии Льва, присутствуют поразительные кольца, активно рождающие новые звезды. В данном случае астрономы допускают существование некой динамической силы, которая согласуется с резонансным поведением, сохранившимся в Солнечной системе до наших дней, и проявляется, например, в том, как ведут себя кольца Сатурна.

Рис. 8.3. Сравнение фрагментарной спиральной структуры, которая появляется в результате сдвига звездообразующих газовых облаков (слева), и более непрерывной спиральной структуры, которая, как объясняет теория волн плотности, возникает в тот момент, когда облака газа проходят через гребень спиральной волны плотности, занявшей прочное положение в диске (справа). (По источнику: Galaxies and the Cosmic Frontier, W. H. Waller and P. W. Hodge.)

Если сдвигающийся галактический диск испытывает гравитационное возмущение, вызванное или вращением звездного бара, или галактикой-спутником, или его собственной спиральной структурой, он отреагирует в соответствии с частотой собственных колебаний. Астрофизики показали, что вследствие этого, скорее всего, появится спиральная волна плотности, которая будет способна поддерживать сама себя и начнет двигаться вокруг галактики с постоянным орбитальным периодом. Подобно морской волне, накатывающей на берег, волна плотности не состоит из одного и того же вещества, неизменного на протяжении долгого времени, – она состоит из любого вещества, через которое ей случается проходить.

В большей части дисковых галактик звезды и газ движутся быстрее волны и поэтому в конечном итоге проходят сквозь нее. Их взаимодействие можно уподобить тому, как колонна машин, медленно едущих по трассе, проходит через блокпост: чтобы миновать преграду, автомобилям приходится сбавлять скорость, отчего они скапливаются. Примерно так же звезды и газ, проходя через волну плотности, обладающую притяжением, замедляются и сгущаются. В частности, газовые облака сосредоточиваются и сливаются вдоль гребней волн плотности в таком изобилии, что готовы породить новые поколения звезд. Поэтому вдоль спиральных рукавов так много красочных скоплений голубых звезд и розовых областей H II.

Теория спиральных волн плотности в сдвигающихся галактических дисках легко объясняет наблюдаемую субструктуру спиральных рукавов, на всем протяжении которых часто можно увидеть и упорядоченные в пространстве ряды темных пылевых облаков, готовых рождать новые звезды, и недавно возникшие темно-красные области H II, и несколько более старых голубых звездных ассоциаций (рис. 8.3). Теория волн плотности объясняет и наличие звездообразующих колец в некоторых спиральных галактиках. Эти кольца, как правило, возникают на радиусах, близких к резонансам между газовыми облаками и волной плотности, идущими по своим орбитам. Как и в случае с кольцами Сатурна, орбитальные резонансы расчищают кольцевые промежутки и создают неподалеку концентрацию вещества.

Что остается неясным, так это эволюция спиральных галактик на протяжении космологического времени. Продолжают ли звездообразующие спиральные рукава медленно вращаться вокруг галактики в соответствии с волнами плотности, установившимися в их дисках? Или же волны эволюционируют и таким образом преображают внешний вид этих галактик? Поглощают ли сами волны плотности кинетическую энергию из диска, вызывая тем самым радиальные притоки вещества в течение миллиардов лет? А как насчет спиральных галактик с баром? Являются ли бары относительно постоянными скоплениями звезд на реагирующем диске – или они появляются и исчезают? Такие вопросы продолжают приводить в замешательство астрономов и астрофизиков, изучающих галактики.

Гигантские эллиптические галактики

Самые большие галактики в видимой Вселенной – это гигантские и сверхгигантские эллиптические галактики. Обладая размерами в несколько сотен тысяч световых лет и светимостью до триллиона солнц, они господствуют в галактических скоплениях – там их, как правило, и находят. На первый взгляд они кажутся довольно простыми по форме и сути. Просто взгляните на гигантские эллиптические галактики М84 и М87 в центре скопления Девы, и вы увидите округлые, ровные и желтоватые звездные системы, в которых очень мало пылевых полос или других характерных черт. Сила звездного света резко падает с увеличением радиуса, принцип этого явления вполне понятен, и его можно смоделировать в виде само– гравитирующего «газа» из звезд, которые при характерной «температуре» в изобилии собираются вокруг очень плотного центра. В каждом случае этот центр занимает сверхмассивная черная дыра. У гигантских и сверхгигантских эллиптических галактик масса этой черной дыры может варьироваться от миллионов до миллиардов масс Солнца. Так начинается наше знакомство с более странными аспектами этих на первый взгляд безобидных исполинов.

Стоит посмотреть на них чуть ближе, и мы получим еще одну подсказку к разгадке их странности. На снимках, сделанных космическим телескопом «Хаббл» и другими телескопами мирового класса, видны мощные струи газа, вырывающиеся из центров некоторых гигантских эллиптических галактик. Хороший пример – галактика-сверхгигант М87 в созвездии Девы. В оптическом диапазоне за ее потоком можно следить на расстоянии 1500 световых лет, а в радиоволновом – на невероятном протяжении, составляющем 250 000 световых лет. Разрывы в потоке указывают на вспышки активности, за которыми следуют относительно спокойные периоды. Всю эту эруптивную активность можно проследить до галактического ядра, где, как полагают, находится черная дыра, масса которой составляет 5 млрд масс Солнца.

Последний важный ключ к пониманию природы гигантских эллиптических галактик мы получили благодаря снимкам с очень длинной выдержкой, на которых можно различить едва заметные окраины этих галактик. С 1980-х годов, сначала на фотографиях с эффектом глубины, а затем – на цифровых изображениях, где этот эффект проявился еще ярче, астрономы обнаружили концентрические оболочки рассеянного звездного света. Более того, можно было увидеть, что узор оболочки на одной стороне галактики перемежался с узором оболочки на противоположной стороне. Астрофизики успешно смоделировали эти едва заметные узоры как следы траекторий галактик, захваченных и поглощенных гигантской эллиптической галактикой. Когда галактики– жертвы по спирали шли навстречу исполинскому «хищнику», они оставляли за собой остатки, похожие на оболочки, – везде, где достигали окраины своих эксцентрических эллиптических орбит. Чередование звездных оболочек согласуется с закручиванием этих несчастных галактик по спирали внутрь.

Галактики со вспышкой звездообразования

В то время как гигантские эллиптические галактики, как полагают, стали такими огромными, поглощая своих меньших «сестер», галактики со вспышкой звездообразования, по всей видимости, чаще всего возникают при взаимодействии двух галактик сходного размера. Другое важное отличие заключается в том, что по крайней мере в одной из таких галактик, вступающих во взаимодействие, должны иметься обильные запасы газа. Именно газ, некогда загнанный в плотные облака, вызывает и «вспышки ярости» у новорожденных звезд, и энергетические последствия этих вспышек, столь характерные для звездообразования. Рассмотрим галактику Сигара (М82), ближайшую к нам из тех, в чьих плотных центрах сейчас активно рождаются новые звезды. Под провоцирующим воздействием гравитации со стороны ее гораздо более крупной соседки – галактики Боде (М81) – М82 полыхает массивными скоплениями горячих голубых звезд, бесчисленными остатками сверхновых, видимых в радиодиапазоне, и огромным биполярным истечением ионизированного газа. Сейчас она формирует новые звезды в таком темпе, что поддерживать его на протяжении долгого времени она просто не сможет, и либо очень скоро она успокоится, либо у нее менее чем за несколько сотен миллионов лет закончится звездообразующий газ.

Другие галактики со вспышкой звездообразования связаны в пары теснее и находятся в процессе слияния (рис. 8.4). Астрономы полагают, что они представляют собой ценные прототипы галактик, возможно, характерные для более густонаселенной ранней Вселенной, в которой только начинали формироваться гигантские эллиптические галактики и балджи будущих гигантских спиральных галактик.

Рис. 8.4. Схема двух галактик в процессе слияния. Многие галактики со вспышкой звездообразования находятся в таких тесно взаимодействующих системах. (Материалы любезно предоставлены F. Zwicky, Physics Today, vol. 6 [1953], p. 7.)

Галактики с активными ядрами

Мы закончим эту главу описанием самых странных объектов в видимой Вселенной – галактик с активными ядрами, которые в текущую эпоху составляют примерно 1 % от всех гигантских галактик. Начиная с 1950-х годов, когда были открыты странно светящиеся источники космического радиоизлучения, астрономы начали сопоставлять их с видимыми галактиками и выявили целый «бродячий цирк» галактик с аномальной активностью. По мере того как угловое разрешение и чувствительность радиотелескопов становились все лучше, на полученных картах обнаружились огромные области биполярного истечения газа, охватившие область протяженностью в несколько сотен тысяч световых лет. Часто видимая галактика, расположенная в центре, кажется в несколько десятков раз меньше, чем эти удивительные потоки. Многие из таких галактик оказались гигантскими эллиптическими галактиками или странно искаженными слияниями ранее неповрежденных галактик.

Тем временем астрономы выяснили, что некоторые спиральные галактики, которые на первый взгляд казались совершенно обычными, содержали яркие ядра, излучавшие в основном в оптическом и инфракрасном диапазонах. Такие галактики были названы сейфертовскими – в честь Карла Сейферта, впервые описавшего их в 1943 году. В спектрах этих источников присутствовали широкие эмиссионные линии высокоионизированных атомов. Состояние высокой ионизации указывало на газовые облака, рядом с которыми находился некий невероятно горячий источник энергии. Кроме того, широкие профили спектральных эмиссионных линий указывали на экстремальное доплеровское смещение, заметное в длине волны излучения, исходящего от газовых облаков; причиной тому были их высокие скорости. Наконец, было замечено, что светимость источника излучения колеблется во временных масштабах от нескольких часов до нескольких дней.

Собрав все это воедино, астрономы со временем пришли к выводу, что эти наблюдения в совокупности согласуются с сейфертовскими галактиками, в которых присутствуют сверхмассивные черные дыры, окруженные дисками прирастающего горячего вещества. Каждый аккреционный диск подобен «эпицентру взрыва», в котором газовые облака, идущие под влиянием притяжения к массивному астрономическому телу, сталкиваются с другим веществом, присутствующим в диске. Вихрь, возникающий в результате ударного нагрева, ярко светится на всех длинах волн, ионизируя и подпитывая энергией любые газовые облака, окружающие диск. Изменения в скорости аккреции объясняют наблюдаемые колебания в светимости как аккреционного диска, так и реагирующих газовых облаков.

Иногда свет от блестящего аккреционного диска не виден, а вместо него наблюдается сильное инфракрасное излучение. Астрономы называют такие системы сейфертовскими галактиками 2-го типа и строят модели, в которых ядра этих галактик окружены толстыми кольцами темной пыли. Пыль поглощает свет, исходящий от аккреционного диска, тем самым скрывая его от нашего взгляда, и повторно излучает этот свет на длинах волн среднего инфракрасного диапазона. Лучшим примером станет ближайшая к нам спиральная галактика с баром М77 (NGC 1068) в созвездии Кита, центральная область которой обильно излучает в инфракрасном диапазоне. Считается, что эмиссионные линии ее спектра исходят из облаков высокоионизированного газа, находящихся не более чем в световом году от черной дыры, расположенной в ядре, а также от аккреционного диска.

Если посмотреть на область ядра плашмя, а не с ребра, мы сможем увидеть прямое излучение аккреционного диска – и станем свидетелями самого высокоэнергетического излучения и самых широких эмиссионных спектральных линий. Такие системы называются сейфертовскими галактиками 1-го типа и служат относительно близкими аналогами квазаров, светящихся еще сильнее и заметных на гораздо бо́льших расстояниях.

Нам нужно зайти довольно далеко, чтобы найти настоящий квазар – активную галактику, излучение ядра которой превосходит все остальные. Один из ближайших примеров – и первый объект, опознанный как квазар, – это 3С 273 в созвездии Девы. Значительное красное смещение эмиссионных линий его спектра указывает на то, что с тех пор, как свет этого квазара был впервые испущен, космос расширился в 1,16 раза. Это означает, что мы видим его таким, каким он испускал свое излучение примерно 2,4 млрд лет назад, когда находился примерно в 5 млрд световых лет от нас. Несмотря на невероятную удаленность квазара 3С 273, астрономы-любители могут наблюдать его в телескопы с апертурой 350 мм и более. Видимая звездная величина квазара, равная 12,9, в сочетании с огромным расстоянием до него дает просто невероятную абсолютную светимость – около 4 трлн солнц, или в 100 с лишним раз больше, чем у обычной галактики, и все это из области размером не больше нашей Солнечной системы. Недавние снимки, сделанные космическим телескопом «Хаббл» и космической рентгеновской обсерваторией «Чандра», позволили получить намеки на строение 3С 273, в том числе увидеть мощную струю и рассеянный звездный свет. Изображения других квазаров показывают большое разнообразие форм – от спиральных галактик, на первый взгляд совершенно обычных, до множества сливающихся галактик. Мы вернемся к квазарам в девятой главе, поскольку в расширяющейся Вселенной они, как кажется, занимают особый временной период.

КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ

Красное смещение спектральной эмиссионной линии, исходящей от галактики, определяется как (z = Δλ / λ _o ), где Δλ – наблюдаемое увеличение длины волны эмиссионной линии, а λ _o – длина волны, измеренная в лаборатории. Эта величина отражает степень расширения Вселенной с тех пор, как свет был впервые испущен. У квазара 3С 273 наблюдаемое красное смещение составляет z = 0,158. Это означает, что с тех пор, как он впервые излучил наблюдаемый нами свет, Вселенная расширилась на 16 %, или в 1,16 раза. Принимая как данность то, что возраст Вселенной составляет 13,8 млрд лет (и, по существу, она свободно расширяется), мы видим свет таким, каким он был испущен около 2,4 млрд лет назад.

Подсчет галактик

Как показано в этой главе, в наблюдаемой Вселенной удивительно много самых разнообразных галактик. Астрономы, вдохновленные их изумительной красотой, провели тщательную спектрозональную съемку и спектроскопические исследования – и выявили в пределах этих галактик сложное взаимодействие между звездами, газом и активными ядрами. Более того, они начали собирать воедино все сведения, связанные с эволюцией этих «островных вселенных» на протяжении космологического времени (см. гл. 10). Но сначала нам предстоит еще многому научиться и пока что просто подсчитать галактики, которые мы можем наблюдать. Впервые это с успехом сделали в 1996 году, после того как космический телескоп «Хаббл» фотографировал один и тот же участок неба в течение рекордных десяти дней непрерывной выдержки. «Глубокий обзор Хаббла», полученный в итоге, запечатлел лишь крошечный участок неба в созвездии Большой Медведицы. Представьте, что вы, держа в вытянутой руке монету в десять центов, фиксируете взгляд на глазе Рузвельта – это эквивалент небольшого поля обзора, доступного «Хабблу». Однако на нем были многие тысячи галактик. Этот невероятный «образец ядра» галактической Вселенной предоставил исследователям самые разные возможности, в том числе и шанс оценить общее число галактик в видимом космосе.

Достаточно сказать, что количество галактик, доступных наблюдению, поистине поразительно – от 50 до 100 миллиардов, – и это только гигантские галактики и карликовые галактики со вспышкой звездообразования. Меньшие и менее активные галактики пока остаются вне досягаемости наших исследовательских станций. С 1996 года «Хаббл», «Спитцер» и несколько наземных телескопов позволили нам получить другие глубокие обзоры космоса. Теперь у нас есть спектрозональное досье образцов галактического ядра, доступ к которому позволит изучить эволюцию галактик за космологическое время – начиная от более чем 10 млрд лет назад и заканчивая нашей эпохой. Однако, чтобы действительно обнаружить «первый свет» от самых молодых галактик, нам придется дождаться космического телескопа «Джеймс Уэбб» и других телескопов, сконструированных именно для того, чтобы уловить это едва заметное первичное излучение (см. гл. 10).

Расширение космоса

В 1920-х годах, задолго до «Хаббла» и его потрясающих сверхчетких снимков, астрономы начали пристально изучать галактики, доступные их детекторам и телескопам. Разделив галактический свет на спектры и сфотографировав их на длинной выдержке, они увидели на спектральных линиях значительные доплеровские смещения, заметные в длине волны. Спектры с синим смещением указывали на приближение к нам, спектры с красным – на удаление от нас. Например, галактика Андромеды (М31) показала синее смещение, вызванное тем, что она и Млечный Путь сходятся друг с другом со скоростью 110 км/с. Синее смещение имеет и галактика Треугольника (М33), которая движется к нам со скоростью 44 км/с.

Однако за пределами Местной группы для большинства галактических спектров были характерны красные смещения. Милтон Хьюмасон, талантливый помощник Эдвина Хаббла, искусно фиксировал эти спектры на фотопластинках с помощью вышеупомянутого телескопа Хукера, расположенного в южной Калифорнии, – самого большого телескопа в мире на тот момент. В ходе работы над спектрами Хаббл соотнес их красные смещения с самыми точными на то время оценками расстояния до соответствующих галактик и в 1929 году вывел свой фундаментальный закон: чем дальше до галактики, тем больше ее красное смещение. Сам он понимал это смещение как скорость удаления в соответствии с оптическим эффектом Доплера. Этого хватило, чтобы он совершил огромный концептуальный скачок и интерпретировал свой закон как свидетельство расширяющейся галактической Вселенной. Наглядные аналогии помогут нам яснее представить ход его рассуждений.

Предположим, у нас есть булочка с изюмом, которую мы собираемся поместить в печь. Выберем одну изюминку. Все остальные находятся от нее на определенном расстоянии: одни очень близко, а другие – подальше и ближе к другому краю булочки. Как только булочка испечется, она станет шире. Самые близкие изюминки отодвинутся от нашей «избранницы» совсем чуть– чуть, но те, которые были больше удалены от нее изначально, расположатся еще дальше, а несколько, находящихся на дальнем краю, отодвинутся на наибольшее расстояние. Это соотношение расстояние – движение работает для любой случайно выбранной изюминки. Другими словами, так подтверждается глобальное расширение.

Рис. 8.5. Недавний график с демонстрацией закона Хаббла, связавшего расстояние до галактики в мегапарсеках (Мпк) и скорость ее удаления (км/с). Наклон функции дает значение постоянной Хаббла, в данном случае равное 72 (км/с)/ Мпк. (По источнику: W. L. Freedman et al., Astrophysical Journal, vol. 553 [2001], p. 47.)

Сегодня астрономы больше не интерпретируют красные смещения галактик как следствие кинематической модели, согласно которой галактики удаляются от нас со скоростями, зависящими от соответствующих расстояний. Теперь они рассматривают рас – тяжение длин световых волн совершенно иначе – как признак расширения пространства. Это не галактики путешествуют в космосе – это сама ткань космоса расширяется и увлекает их за собой! К счастью, в этом случае аналогия с расширяющейся булочкой подходит еще лучше.

Несмотря на верные толкования, скорость расширения по– прежнему выражается в кинематических единицах, (км/с)/Мпк (Мпк – сокращение от мегапарсек, где 1 Мпк = 1 млн парсек, или 3,26 млн световых лет). В настоящее время наиболее точная оценка так называемой постоянной Хаббла (Н_о), рассчитанная на основе наиболее точно измеренных расстояний до галактик, составляет: H_o = 72 ± 6 (км/с)/Мпк, в то время как скорость удаления (v_r), согласно кинематической интерпретации, линейно связана с расстоянием и выражается формулой v_r = H_o ∙ d, что показано на рис. 8.5.

РАЗЛИЧНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ ХАББЛА

Недавние измерения, основанные на различных подходах, позволили уменьшить неопределенность в соответствующих значениях постоянной Хаббла. Однако сами значения теперь отличаются – и, возможно, значительно. Пока я пишу этот абзац, измерение расстояний до галактик, предполагающее использование сверхновых типа Ia в качестве стандартных свечей, дает значение H _o , равное 74,0 ± 1,5 (км/с)/Мпк. Однако подробные данные, связанные с космическим микроволновым фоном, указывают на значение 67,5 ± 0,5 (км/с)/Мпк, в то время как новый метод измерения расстояний, главную роль в котором играет гравитационное линзирование удаленных квазаров более близкими галактиками, позволил получить диапазон значений от 72,5 ± 2,2 (км/с)/Мпк до 82 ± 8 (км/с)/Мпк. Ученые пока не знают, требуют ли видимые различия некоей новой физики, выходящей за пределы Стандартной модели, или противоречивые результаты можно объяснить системными ошибками и внутренними пристрастиями.

Достижения Хаббла по-прежнему бесценны для астрономии. Его одноименный закон устанавливает существование расширяющейся Вселенной и позволяет определять расстояния до удаленных галактик, скоплений галактик и сверхскоплений, как мы видели в третьей главе. Дальнейшее исследование ведет к возможной нелинейности, позволившей утверждать, что Вселенная расширяется с ускорением; как мы увидим в тринадцатой главе, это придало бы дополнительную достоверность предположению о некоем виде темной энергии, пронизывающей все космическое пространство. Но прежде мы вернемся к тому, с чего все началось, и постоянная Хаббла поможет нам вычислить хаббловское время – первое приближенное значение возраста Вселенной.

ЧАСТЬ III. НАШ МИГ ВО ВРЕМЕНИ

9. Большой взрыв

В начале было сотворение Вселенной. Оно рассердило многих и было повсеместно расценено как неразумный шаг.

Дуглас Адамс. Автостопом по галактике

Когда-то давным-давно в пространстве-времени наша Вселенная возникла из квантового вакуума. Может быть, этот огромный темный океан возможностей породил и другие пространства-времена – настолько физически изолированные друг от друга, что мы никогда их не найдем. И все же космологи строят теории о такой мультивселенной и о ее возможном устроении. Бесконечна ли мультивселенная так, что каждый процесс в нашей конкретной вселенной – в том числе ваши мысли во время завтрака – до бесконечности повторяется в других пространствах-временах? Или мультивселенная ограничена определенным набором измерений, физических констант и законов? Возможно, нам этого не узнать, но группы космических теоретиков в поте лица ищут ответы.

Подготовка декораций

Между тем у нас, в нашем эволюционирующем пространстве– времени, есть и свои вопросы. Бесконечна ли наша Вселенная в пространственной протяженности, или у нее есть реальный размер, который примерно 13,8 млрд лет назад начал развиваться из ультрамикроскопического источника и достиг того, что мы видим сегодня? Поскольку возраст нашей Вселенной конечен, та ее часть, которую мы можем воспринять, ограничена. Всему, что превышает этот пространственно-временной радиус, не хватило бы времени, чтобы его свет достиг нас. Поэтому считается, что наш предельный горизонт (обычно выражаемый как предельное аберрационное время) имеет радиус, эквивалентный 13,8 млрд лет распространения света. И именно потому, что мы не видим ничего за пределами этого радиуса, наше ночное небо, по сути, темное. Рассмотрим альтернативный вариант. Будь Вселенная бесконечной как по возрасту, так и по протяженности, каждый луч зрения в конечном счете пересекал бы поверхность звезды – и, таким образом, небо всегда было бы ослепительно ярким. Эта головоломка, известная как парадокс Ольберса, приводила астрономов в замешательство до тех пор, пока они не допустили, что у Вселенной было начало.

ЧТО ТАКОЕ АБЕРРАЦИОННОЕ ВРЕМЯ?

Поскольку свет распространяется с конечной скоростью, равной 300 000 км/с, ему требуется время на то, чтобы дойти до нас от своего источника. Это время и называется аберрационным. Например, Луну, до которой от нас 384 000 км, мы видим такой, какой она отражала солнечный свет 1,28 секунды тому назад; следовательно, ее аберрационное время составляет 1,28 секунды. А Солнце, до которого 150 млн км, мы видим таким, каким оно бурлило и испускало свет 8,33 минуты назад, и его аберрационное время – 8,33 минуты. Вот несколько примеров такого времени, которые стоит принять во внимание:

Сатурн – 1,1 часа при максимальном сближении с Землей Плутон – 6,9 часа при максимальном сближении с Землей α Центавра – 4,2 года

Вега – 25 лет

Полярная звезда – 434 года

Туманность Ориона – 1500 лет

Галактический центр – 27 000 лет

Галактика Андромеды – 2,5 млн лет

Ближайший квазар – 3С 273 (2,4 млрд лет)

Самая дальняя обнаруженная галактика – GN-z11 (13,4 млрд лет)

Измерять метрические расстояния за пределами галактики Андромеды и Местной группы гораздо сложнее: этому препятствует расширение Вселенной. Например, расстояние до той или иной галактики в то мгновение, когда из нее был испущен свет, в конечном итоге оказывается намного меньше расстояния до нее в тот момент, когда нам удается ее обнаружить. Поэтому оценивать космические расстояния лучше в аберрационном времени – оно лучше всего учитывает расширение и дает нам единую меру расстояния до объекта в пределах расширяющегося космоса. Возможно, это вас удивит, но с помощью «Хаббла» и крупнейших наземных телескопов астрономы нашли галактики, для света которых характерно такое красное смещение, что он, по всей вероятности, излучался, когда видимая Вселенная была в 10 с лишним раз компактнее, а значит, насчитывала всего несколько сотен миллионов лет. То, что доступно нашему взгляду из тех изначальных времен, во многом резко отличается от того, что мы наблюдаем в текущей Вселенной, причем галактики ранней эпохи кажутся намного меньше и массивнее, чем их современные аналоги.

В последующих главах мы будем говорить о той части Вселенной, которая доступна нашему наблюдению, поскольку она располагается в пределах светового радиуса, установленного возрастом Вселенной в 13,8 млрд лет. Однако это пространственное ограничение не помешает нам исследовать всю историю космоса и мы сможем пронаблюдать – по крайней мере в принципе – все основополагающие стадии от Большого взрыва до эпохи рекомбинации, образования первых галактик, звезд и планет.

Происхождение космоса

Утверждение, согласно которому у Вселенной было начало, на самом деле звучит невероятно странно и необъяснимо. Впрочем, это не мешало людям придумывать истории о происхождении космоса, ставшие неотъемлемой частью их культурной идентичности. И более того, в разных культурах, возникших задолго до появления письменности, очень много преданий о возникновении мира. Пожалуй, из существ, живущих на Земле, только нам, людям, нужно объяснить наше собственное существование в свете происхождения и эволюции большой Вселенной.

Я помню времена, когда астрономы все еще не могли с уверенностью сказать, действительно ли у Вселенной было начало. В 1960-х годах за первенство соперничали две космологические теории. Одна из них называлась теорией стационарной Вселенной. В 1940-х и 1950-х годах ее отстаивали сэр Фред Хойл и его коллеги. Эта теория признавала расширение космоса, открытое Эдвином Хабблом в 1929 году, но допускала появление новой материи для заполнения пустот (войдов) и гласила, что Вселенная остается по существу неизменной во всем пространстве-времени. Так ученым удавалось придерживаться популярного представления об однородности – так называемого идеального космологического принципа. Никакое место или время не играло особой роли, в том числе и наше время на Земле.

Другая теория, которую в 1940-х и 1950-х годах впервые изложил в общедоступной форме Георгий Гамов, постулировала противоположную картину. Согласно ей, наша Вселенная расширялась, истончалась и охлаждалась после эпохи невероятно высокой плотности и температуры, завершившейся несколько миллиардов лет назад. Эта теория Большого взрыва также учитывала скорость расширения, количественно определяемую постоянной Хаббла (H_o), но переворачивала ее, тем самым возвращая расширение к его горячему началу. Минувшее с того момента хаббловское время (Т = 1/H_o), рассчитанное в соответствии с наилучшими оценками постоянной Хаббла, доступными на тот момент, варьировалось от 10 до 20 млрд лет. С более короткими временными рамками были свои сложности, поскольку возраст некоторых шаровых звездных скоплений, по всей видимости, превышал этот жесткий предел. Как звездное скопление могло быть старше Вселенной, которая его породила? Обе теории привлекали сторонников вплоть до 1964 года, когда был открыт космический микроволновый фон, также называемый реликтовым излучением.