Анализируя результаты наблюдений галактик и реликтового излучения, астрономы пришли к выводу, что распределение вещества во Вселенной (область исследуемого пространства превышала 100 Мпс в поперечнике) является однородным и изотропным, т. е. не зависит от положения и направления в пространстве (см. Космология). А такие свойства пространства, согласно теории относительности, неизбежно влекут за тсобой изменение со временем расстояний между телами, заполняющими Вселенную, т. е. Вселенная должна расширяться или сжиматься, причем наблюдения указывают на расширение.
Расширение Вселенной существенно отличается от обычного расширения вещества, например от расширения газа в цилиндре. Газ, расширяясь, изменяет положение поршня в цилиндре, но цилиндр при этом остается неизменным. Во Вселенной же происходит расширение всего пространства как целого. Поэтому вопрос, в какую сторону происходит расширение, во Вселенной теряет смысл. Такое расширение имеет место в очень больших масштабах. В пределах же звездных систем, галактик, скоплений и сверхскоплений галактик расширения не происходит. Такие гравитационно связанные системы обособлены от общего расширения Вселенной.
Вывод о том, что Вселенная расширяется, подтверждают наблюдения красного смещения в спектрах галактик.
Пусть из некоторой точки пространства в два момента отправляются световые сигналы, которые наблюдаются в другой точке пространства.
Вследствие изменения масштаба Вселенной, т. е. увеличения расстояния между точками испускания и наблюдения света, второй сигнал должен пройти большее расстояние, чем первый. А поскольку скорость света постоянна, второй сигнал запаздывает; интервал между сигналами в точке наблюдений будет больше, чем в точке их отправления. Запаздывание тем значительнее, чем больше расстояние между источником и наблюдателем. Естественным эталоном частоты является частота излучения при электромагнитных переходах в атомах. Вследствие описанного эффекта расширения Вселенной происходит уменьшение этой частоты. Таким образом, при наблюдении спектра излучения какой-нибудь далекой галактики все его линии должны оказаться смещенными в красную сторону по сравнению с лабораторными спектрами. Это явление красного смещения представляет собой эффект Доплера (см. Лучевая скорость) от взаимного «разбегания» галактик и наблюдается в действительности.
Величина красного смещения измеряется отношением измененной частоты излучения к первоначальной. Изменение частоты тем больше, чем больше расстояние до наблюдаемой галактики.
Таким образом, измеряя по спектрам красное смещение, оказывается возможным определить скорости v галактик, с которыми они удаляются от наблюдателя. Указанные скорости связаны с расстояниями называется постоянной Хаббла.
Точное определение величины сопряжено с большими трудностями. На основе многолетних наблюдений в настоящее время принята величина .
Это значение соответствует увеличению скорости разбегания галактик, равному приблизительно 50-100 км/с на каждый мегапарсек расстояния.
Закон Хаббла позволяет оценивать расстояния до галактик, удаленных на огромные расстояния, по измеренному в их спектрах красному смещению линий.
Закон разбегания галактик выведен на основе наблюдений с Земли (или, можно сказать, из нашей Галактики), и, таким образом, он описывает удаление галактик от Земли (нашей Галактики). Однако из этого нельзя делать вывод, что именно Земля (наша Галактика) находится в центре расширения Вселенной. Несложные геометрические построения убеждают нас, что закон Хаббла справедлив для наблюдателя, находящегося в любой из галактик, участвующих в разбегании.
Закон расширения Хаббла указывает на то, что когда-то вещество во Вселенной находилось в условиях очень больших плотностей. Время, отделяющее нас от этого состояния, можно условно назвать возрастом Вселенной. Оно определяется величиной
Поскольку скорость света конечна, конечному возрасту Вселенной соответствует и конечная область Вселенной, которую мы можем наблюдать в настоящее время. При этом наиболее удаленные наблюдаемые части Вселенной соответствуют наиболее ранним моментам ее эволюции. В эти моменты во Вселенной могли рождаться и взаимодействовать многообразные элементарные частицы. Анализируя процессы, происходившие при участии таких частиц в первую секунду расширения Вселенной, теоретическая космологий находит на основе теории элементарных частиц ответы на вопросы, почему во Вселенной нет антивещества и даже почему расширяется Вселенная.
Многие предсказания теории о физических процессах элементарных частиц относятся к области энергии, недостижимой в современных земных лабораторных условиях, например на ускорителях.
Однако в период до первой секунды расширения Вселенной частицы с такой энергией должны были существовать. Поэтому физики рассматривают расширяющуюся Вселенную как естественную лабораторию элементарных частиц.
В этой лаборатории можно осуществлять «мысленные эксперименты», анализировать, как существование той или иной частицы повлияло бы на физические процессы во Вселенной, как то или иное предсказание теории проявилось бы в астрономических наблюдениях.
Теорию элементарных частиц привлекают к объяснению «скрытой массы» Вселенной. Чтобы объяснить, как образовались галактики, как они движутся в скоплениях галактик и многие другие особенности распределения видимого вещества, оказывается необходимым предположить, что более 80% массы Вселенной скрыто в форме невидимых слабовзаимо-действующих частиц. В этой связи в космологии широко обсуждаются нейтрино с ненулевой массой покоя, а также новые гипотетические частицы.
Мироздание не статично. Это подтвердили исследования астронома Эдвина Хаббла еще в 1929 году, то есть почти 90 лет назад. На эту мысль его навели наблюдения за движением галактик. Еще одним открытием астрофизиков в завершение двадцатого века стало вычисление расширения Вселенной с ускорением.
Как называют расширение Вселенной
Некоторые удивляются, услышав, как ученые называют расширение Вселенной. Это наименование у большинства связано с экономикой, причем с негативными ожиданиями.
Инфляция - это процесс расширения Вселенной сразу после её появления, причем с резким ускорением. В переводе с английского «инфляция» - «накачивать», «раздувать».
Новые сомнения о существовании темной энергии как фактора теории инфляции Вселенной используют противники теории расширения.
Тогда ученые предложили карту черных дыр. Первоначальные данные отличаются от тех, что были получены на позднем этапе:
- Шестьдесят тысяч черных дыр с расстоянием между самыми дальними больше одиннадцати миллионов световых лет - данные четырехлетней давности.
- Сто восемьдесят тысяч галактик с черными дырами с удалением в тринадцать миллионов световых лет. Данные, полученные учеными, в том числе российскими ядерными физиками, в начале 2017 года.
Эти сведения, говорят астрофизики, не противоречат классической модели Вселенной.
Скорость расширения Вселенной - задача для космологов
Скорость расширения действительно является задачей для космологов и астрономов. Правда, о том, что скорость расширения Вселенной не имеет постоянного параметра, космологи больше не спорят, расхождения перешли в другую плоскость - когда расширение начало ускоряться. Данные о кочевании в спектре очень далеких сверхновых галактик первого типа доказывают, что расширение - это не внезапно наступивший процесс.
Ученые считают, что первые пять миллиардов лет Вселенная сужалась.
Первые последствия Большого Взрыва сначала спровоцировали мощное расширение, а потом началось сжатие. Но темная энергия все-таки повлияла на рост мироздания. Причем с ускорением.
Американские ученые приступили к созданию карты размеров Вселенной для разных эпох, чтобы выяснить, когда началось ускорение. Наблюдая взрывы сверхновых, а также направление концентрации в древних галактиках, космологи заметили особенности ускорения.
Почему Вселенная «разгоняется»
Изначально подразумевалось, что в составленной карте значения ускорения не были линейны, а превратились в синусоиду. Ее назвали «волной Вселенной».
Волна Вселенной говорит о том, что ускорение не шло с постоянной скоростью: оно то замедлялось, то ускорялось. Причем несколько раз. Ученые считают, что было семь таких процессов за 13,81 миллиарда лет после Большого Взрыва.
Однако космологи пока не могут ответить на вопрос о том, от чего зависит ускорение-замедление. Предположения сводятся к мысли, что энергетическое поле, от которого берет начало темная энергия, подчинено волне Вселенной. И, переходя от одного положения к другому, Вселенная то расширяет ускорение, то замедляет его.
Несмотря на убедительность доводов, они все-таки остаются пока теорией. Астрофизики надеются, что информация орбитального телескопа «Планк» подтвердит существование волны Вселенной.
Когда нашли темную энергию
Впервые о ней заговорили в девяностые из-за взрывов сверхновых. Природа темной энергии неизвестна. Хотя еще Альберт Эйнштейн выделил космическую постоянную в своей теории относительности.
В 1916 году, сто лет назад, Вселенная еще считалась неизменной. Но сила притяжения вмешалась: космические массы неизменно бы ударились друг от друга, если бы Вселенная была недвижима. Эйнштейн объявляет гравитацию за счет космической силы отталкивания.
Жорж Леметр обоснует это через физику. Вакуум содержит энергию. Из-за её колебаний, приводящих к появлению частиц и дальнейшего их разрушения, энергия приобретает силу отталкивания.
Когда Хаббл доказал расширение Вселенной, Эйнштейн назвал чушью.
Влияние темной энергии
Мироздание раздвигается с постоянной скоростью. В 1998 году миру представили данные анализа вспышек сверхновых первого типа. Было доказано, что Вселенная разрастается все быстрее.
Происходит это из-за непознанного вещества, её прозвали «темной энергией». Выяснится, что она занимает почти 70 % пространства Вселенной. Суть, свойства и природа темной энергии не изучены, но её ученые пытаются выяснить, имелась ли она в других галактиках.
В 2016 году вычислили точную скорость расширения на ближайшее будущее, но появилось несовпадение: Вселенная расширяется с большей скоростью, чем ранее предположили астрофизики. В среде ученых разгорелись споры о существовании темной энергии и её влиянии на скорость расширения пределов мироздания.
Расширение Вселенной происходит без темной энергии
Теорию независимости процесса расширения Вселенной от темной энергии выдвинули ученые в начале 2017 года. Расширение они объясняют изменением структуры Вселенной.
Ученые из Будапештского и Гавайского университетов пришли к выводу, что несовпадение расчетов и реальной скорости расширения связаны с изменением свойств пространства. Никто не учитывал, что происходит с моделью Вселенной при расширении.
Усомнившись в существовании темной энергии, ученые объясняют: самые большие концентраты материи Вселенной влияют на её расширение. При этом остальное содержание распределяется равномерно. Однако факт остается неучтенным.
Для демонстрации обоснованности своих предположений ученые предложили модель мини-Вселенной. Они представили её в форме набора пузырьков и начали просчет параметров роста каждого пузырька с собственной скоростью, зависящей от его массы.
Такое моделирование Вселенной показало ученым, что она может изменяться без учета энергии. А если «примешать» темную энергию, то модель не изменится, считают ученые.
В общем-то, споры все еще продолжаются. Сторонники темной энергии говорят, что она влияет на расширение границ Вселенной, противники стоят на своем, утверждая, что значение имеет концентрация материи.
Скорость расширения Вселенной сейчас
Ученые убеждены, что расти Вселенная начала после Большого Взрыва. Тогда, почти четырнадцать миллиардов лет назад, оказалось, что скорость расширения Вселенной больше скорости света. И она продолжает расти.
В книге Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова «Кратчайшая история времени» отмечается, что скорость расширения границ Вселенной не может превышать 10 % за миллиард лет.
Чтобы определить, какова скорость расширения Вселенной, летом 2016 года лауреат Нобелевской премии Адам Рисс рассчитал расстояние до пульсирующих цефеид в близких друг к другу галактиках. Эти данные позволили вычислить скорость. Выяснилось, что галактики на расстоянии не меньше трех миллионов световых лет могут отдаляться со скоростью почти 73 км/с.
Результат был удивителен: орбитальные телескопы, тот же «Планк», говорили о 69 км/с. Почему зафиксирована такая разница, ученые не в силах дать ответ: им ничего не известно о происхождении темной материи, на которую опирается теория расширения Вселенной.
Темная радиация
Еще один фактор «разгона» Вселенной обнаружили астрономы с помощью «Хаббла». Темное излучение, как предполагают, появилось в самом начале образования Вселенной. Тогда больше в ней было энергии, а не материи.
Темное излучение «помогло» темной энергии расширить границы Вселенной. Расхождения в определении скорости ускорения были из-за неизвестности этого излучения, считают ученые.
Дальнейшая работа «Хаббла» должна сделать наблюдения более точными.
Таинственная энергия может уничтожить Вселенную
Такой сценарий ученые рассматривают уже несколько десятилетий, данные космической обсерватории «Планк» говорят, что это далеко не только предположения. Их опубликовали в 2013 году.
«Планк» замерил «эхо» Большого взрыва, появившееся в возрасте Вселенной около 380 тысяч лет, температура составила 2 700 градусов. Причем температура менялась. «Планк» определил и «состав» Вселенной:
- почти 5 % - звезды, космическая пыль, космический газ, галактики;
- почти 27 % - масса темной материи;
- около 70 % - темная энергия.
Физик Роберт Колдуэл предположил, что темная энергия обладает силой, способной нарастать. И эта энергия разъединит пространство-время. Галактика будет отдаляться в ближайшие двадцать-пятьдесят миллиардов лет, считает ученый. Этот процесс будет происходить при нарастающем расширении границ Вселенной. Это оторвет Млечный Путь от звезды, и он тоже распадется.
Космосу отмерили около шестидесяти миллионов лет. Солнце станет карликовой гаснущей звездой, и от нее отделятся планеты. После взорвется Земля. В следующие тридцать минут пространство разорвет атомы. Финалом станет разрушение структуры пространство-время.
Куда «улетает» Млечный Путь
Иерусалимские астрономы убеждены, что Млечный Путь набрал максимальную скорость, которая выше скорости расширения Вселенной. Ученые объясняют это стремлением Млечного Пути к «Великому Аттрактору», считающемуся самым крупным Так Млечный Путь уходит из космической пустыни.
Ученые используют разные методики измерения скорости расширения Вселенной, поэтому нет единого результата этого параметра.
МОСКВА, 26 янв - РИА Новости. Независимая группа ученых подтвердила, что Вселенная действительно расширяется сейчас еще быстрее, чем показывали расчеты, построенные на наблюдениях за "эхом" Большого Взрыва, говорится в серии из пяти статей, принятой к публикации в журнале Monthly Notices of Royal Astronomical Society.
"Расхождения в текущей скорости расширения Вселенной и тем, что показывают наблюдения за Большим взрывом, не только подтвердились, но и усилились благодаря новым данным по тому, как далекие галактики искривляют свет. Эти несовпадения могут быть порождены "новой физикой" за пределами Стандартной модели космологии, в частности, некой иной формой темной энергии", — заявил Фредерик Кубрин (Frederic Coubrin) из Федеральной политехнической школы в Лозанне (Швейцария).
Темные роды Вселенной
Еще в 1929 году знаменитый астроном Эдвин Хаббл доказал, что наша Вселенная не стоит на месте, а постепенно расширяется, наблюдая за движением далеких от нас галактик. В конце 20 века астрофизики обнаружили, наблюдая за сверхновыми первого типа, что она расширяется не с постоянной скоростью, а с ускорением. Причиной этого, как сегодня считают ученые, является темная энергия - загадочная субстанция, действующая на материю как своеобразная "антигравитация".
В июне прошлого года, нобелевский лауреат Адам Рисс (Adam Reiss) и его коллеги, открывшие этот феномен, вычислили точную скорость расширения Вселенной сегодня, используя переменные звезды-цефеиды в соседних галактиках, расстояние до которых можно вычислить со сверхвысокой точностью.
Это уточнение дало крайне неожиданный результат - оказалось, что две галактики, разделенные расстоянием примерно в 3 миллиона световых лет, разлетаются со скоростью около 73 километров в секунду. Подобная цифра заметно выше, чем показывают данные, полученные при помощи орбитальных телескопов WMAP и Planck - 69 километров в секунду, и ее невозможно объяснить при помощи имеющихся у нас представлений о природе темной энергии и механизме рождения Вселенной.
Рисс и его коллеги предположили, что существует еще и третья "темная" субстанция - "темное излучение" (dark radiation), заставлявшее ее ускоряться быстрее теоретических предсказаний в первые дни жизни Вселенной. Подобное заявление не осталось без внимания, и коллаборация H0LiCOW, включающая в себя десятки астрономов со всех континентов планеты, начала проверку эту гипотезы, наблюдая за квазарами - активными ядрами далеких галактик.
Игра космических свечей и линз
Квазары, благодаря гигантской черной дыре в их центре, особым образом искривляют структуру пространства-времени, усиливая свет, проходящий через его окрестности, подобно гигантской линзе.
Если два квазара расположены друг за другом для наблюдателей на Земле, возникает интересная вещь - свет более далекого квазара расщепится при прохождении через гравитационную линзу первого ядра галактики. Из-за этого мы увидим не два, а пять квазаров, четыре из которых будут световыми "копиями" более далекого объекта. Что самое важное, каждая копия будет представлять собой "фотографию" квазара в разные периоды его жизни из-за того, что их свет тратил разное количество времени на выход из гравитационной линзы.
Продолжительность этого времени, как объясняют ученые, зависит от скорости расширения Вселенной, что позволяет вычислить ее, наблюдая за большим числом далеких квазаров. Этим и занимались участники H0LiCOW, отыскивая подобные "двойные" квазары и наблюдая за их "копиями".
В общей сложности Кубрин и его коллеги нашли три подобных квазарных "матрешки" и детально изучили их, используя орбитальные телескопы "Хаббл", "Спитцер" и ряд наземных телескопов на Гавайских островах и в Чили. Эти замеры, по словам исследователей, позволили им измерить постоянную Хаббла на "среднем" космологическом расстоянии с уровнем погрешности в 3,8%, что в разы лучше ранее полученных результатов.
Эти расчеты показали, что Вселенная расширяется со скоростью около 71,9 километров в секунду, что в целом соответствует тому результату, который Рисс и его коллеги получили на "близких" космологических расстояниях, и говорит в пользу существования некой третьей "темной" субстанции, разгонявшей Вселенную в ее юности. Другой вариант объяснения разночтений с данными - Вселенная на самом деле не является плоской, а напоминает сферу или "гармошку". Кроме того, возможно, что количество или свойства темной материи поменялись за последние 13 миллиардов лет, благодаря чему Вселенная начала расти быстрее.
В любом случае, ученые планируют изучить еще примерно сто подобных квазаров для того, чтобы убедиться в достоверности полученных ими данных, и понять, как можно объяснить столь необычное поведение Вселенной, не укладывающееся в стандартные космологические теории.
Так куда на самом деле расширяется вселенная? Да в никуда. Нет никакого космического шкафа, наполненного вещами. Но чтобы понять это, давайте посмотрим, что общая теория относительности говорит о пространстве-времени.
В ОТО (как говорят профессионалы), наиболее важным свойством пространства (и времени) является дистанция (и временной интервал) между двумя точками. На самом деле, дистанция в полной мере определяет пространство. Эволюция шкалы дистанции определяется количеством материи и энергии в пространстве, и по мере того как время идет, шкала увеличивается и дистанция между галактиками тоже. Однако - и в этом странность - это происходит и без фактического движения галактик.
Возможно, в этой точке ваша интуиция дала сбой. Но это не помешает нам разобраться в странностях.
Мы уже сказали о том, что галактики удаляются от нас. На самом деле нет. Просто ученым так проще объяснить происходящее на самом деле. Они обманывают вас.
«Но погодите!», - скажет самый научно подкованный из вас. - «Мы же измеряем допплеровский сдвиг удаленных галактик». Это так называемое «красное смещение», о котором вы знаете, фиксируется на Земле, и подобно сирене проезжающей скорой помощи, дает нам знать, что движение имеется. Но это не то, что происходит в космологических масштабах. Просто с тех пор, как далекие галактики испустили свет, и он добрался до нас, шкала пространства серьезно изменилась, выросла. Поскольку пространство расширилось, увеличилась и длина волны фотонов, поэтому свет отдает красным.
Из такого подхода вытекает другой вопрос: «Действительно ли Вселенная расширяется быстрее скорости света?». Абсолютно верно то, что большинство далеких галактик увеличивают свою дистанцию по отношению к нам быстрее скорости света, ну и что? Они не движутся быстрее света (они вообще стоят на месте). Более того, знание этого никак не поможет вам: информация-то не передается. Если вы отправите пакет с едой в другую галактику, быстрее, чем со скоростью света, этого не сделать (да и тут, в принципе, ). Скорость света остается универсальным ограничителем скорости.
Мы привели самое распространенное (ну или утвердившееся в сфере релятивистов) мнение по поводу космологического расширения, но будет логичным закончить на том, что мы вообще не понимаем. Все описанное выше, работает замечательно, если у вас есть место для шага вперед и растяжки. Но что произошло в самом начале такое, отчего образовалось пространство буквально из ничего? На этот вопрос у физики нет ответа. И придется ждать до тех пор, пока не появится и не прольет свет на этот вопрос.
Даже астрономы не всегда правильно понимают расширение Вселенной. Раздувающийся воздушный шар – старая, но хорошая аналогия расширения Вселенной. Галактики, расположенные на поверхности шара, неподвижны, но поскольку Вселенная расширяется, расстояние между ними возрастает, а размеры самих галактик не увеличиваются.
В июле 1965 г. ученые объявили об открытии явных признаков расширения Вселенной из более горячего и плотного исходного состояния. Они нашли остывающее послесвечение Большого взрыва – реликтовое излучение. С этого момента расширение и охлаждение Вселенной легло в основу космологии. Космологическое расширение позволяет понять, как формировались простые структуры и как они постепенно развивались в сложные. Спустя 75 лет после открытия расширения Вселенной многие ученые не могут проникнуть в его истинный смысл. Джеймс Пиблз (James Peebles), космолог из Принстонского университета, изучающий реликтовое излучение, писал в 1993 г. : «Мне кажется, что даже специалисты не знают, каково значение и возможности модели горячего Большого взрыва».
Известные физики, авторы учебников по астрономии и популяризаторы науки порою дают неверную или искаженную трактовку расширения Вселенной, которое легло в основу модели Большого взрыва. Что же мы имеем в виду, когда говорим, что Вселенная расширяется? Несомненно, сбивает с толку то обстоятельство, что теперь говорят об ускорении расширения, и это ставит нас в тупик.
ОБЗОР: КОСМИЧЕСКОЕ НЕДОРАЗУМЕНИЕ
* Расширение Вселенной – одна из фундаментальных концепций современной науки – до сих пор получает различное толкование.
* Не следует воспринимать термин «Большой взрыв» буквально. Он не был бомбой, взорвавшейся в центре Вселенной. Это был взрыв самого пространства, который произошел повсеместно, подобно тому, как расширяется поверхность надуваемого воздушного шара.
* Понимание различия между расширением пространства и расширением в пространстве крайне важно для того, чтобы понять, каков размер Вселенной, скорость разбегания галактик, а также возможности астрономических наблюдений и природы ускорения расширения, которое, вероятно, испытывает Вселенная.
* Модель Большого взрыва описывает лишь то, что случилось после него.
Что такое расширение?
Когда расширяется что-нибудь привычное, например, влажное пятно или Римская империя, то они становятся больше, их границы раздвигаются, и они начинают занимать больший объем в пространстве. Но Вселенная, похоже, не имеет физических ограничений, и ей некуда двигаться. Расширение нашей Вселенной очень похоже на надувание воздушного шара. Расстояния до далеких галактик увеличиваются. Обычно астрономы говорят, что галактики удаляются или убегают от нас, но не перемещаются в пространстве, как осколки «бомбы Большого взрыва». В действительности расширяется пространство между нами и галактиками, хаотически движущимися внутри практически неподвижных скоплений. Реликтовое излучение заполняет Вселенную и служит системой отсчета, подобной резиновой поверхности воздушного шара, по отношению к которой движение и может быть измерено.
Находясь вне шара, мы видим, что расширение его искривленной двухмерной поверхности возможно только потому, что она находится в трехмерном пространстве. В третьем измерении располагается центр шара, а его поверхность расширяется в окружающий его объем. Исходя из этого, можно было бы заключить, что расширение нашего трехмерного мира требует наличия у пространства четвертого измерения. Но согласно общей теории относительности Эйнштейна, пространство динамично: оно может расширяться, сжиматься и изгибаться.
Дорожная пробка
Вселенная самодостаточна. Не требуются ни центр, чтобы расширяться от него, ни свободное пространство с внешней стороны (где бы она ни находилась), чтобы туда расширяться. Правда, некоторые новейшие теории, такие как теория струн, постулируют наличие дополнительных измерений, но при расширении нашей трехмерной Вселенной они не требуются.
В нашей Вселенной, как и на поверхности воздушного шара, каждый объект отдаляется от всех остальных. Таким образом, Большой взрыв не был взрывом в пространстве, а скорее это был взрыв самого пространства, который не произошел в определенном месте и затем не расширялся в окружающую пустоту. Это произошло всюду одновременно.
НА ЧТО БЫЛ ПОХОЖ БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ?
НЕВЕРНО : Вселенная родилась тогда, когда вещество, подобно бомбе, взорвалось в определенном месте. Давление было высоким в центре и низким в окружающей пустоте, что и вызвало разлет вещества.
ВЕРНО : Это был взрыв самого пространства, который привел вещество в движение. Наше пространство и время возникло в Большом взрыве и начало расширяться. Нигде не было центра, т.к. условия всюду были одинаковыми, никакого перепада давления, характерного для обычного взрыва, не было.
Если представить, что мы прокручиваем киноленту в обратном порядке, то увидим, как все области Вселенной сжимаются, а галактики сближаются, пока не столкнутся все вместе в Большом взрыве, как автомобили в дорожной пробке. Но сопоставление тут не полное. Если бы речь шла о происшествии, то вы могли бы объехать затор, услышав сообщения о нем по радио. Но Большой взрыв был катастрофой, которую невозможно избежать. Это похоже на то, как если бы поверхность Земли и все дороги на ней смялись, но автомобили оставались бы прежнего размера. В конце концов машины столкнулись бы, и никакое сообщение по радио не помогло бы предотвратить это. Так же и Большой взрыв: он произошел повсеместно, в отличие от взрыва бомбы, который происходит в определенной точке, а осколки разлетаются во все стороны.
Теория Большого взрыва не дает нам информации о размере Вселенной и даже о том, конечна она или бесконечна. Теория относительности описывает, как расширяется каждая область пространства, но ничего не говорится о размере или форме. Иногда космологи заявляют, что Вселенная когда-то была не больше грейпфрута, но они имеют в виду лишь ту ее часть, которую мы сейчас можем наблюдать.
У обитателей туманности Андромеды или других галактик свои наблюдаемые вселенные. Наблюдатели, находящиеся в Андромеде, могут видеть галактики, которые недоступны нам, просто из-за того, что они немного ближе к ним; зато они не могут созерцать те, которые рассматриваем мы. Их наблюдаемая Вселенная тоже была размером с грейпфрут. Можно вообразить, что ранняя Вселенная была похожа на кучу этих фруктов, безгранично простирающуюся во всех направлениях. Значит, представление о том, что Большой взрыв был «маленьким», ошибочно. Пространство Вселенной безгранично. И как его ни сжимай, оно таковым и останется.
Быстрее света
Ошибочные представления бывают связаны и с количественным описанием расширения. Скорость, с которой увеличиваются расстояния между галактиками, подчиняется простой закономерности, выявленной американским астрономом Эдвином Хабблом (Edwin Hubble) в 1929 г. : скорость удаления галактики v прямо пропорциональна его расстоянию от нас d, или v = Hd. Коэффициент пропорциональности H называется постоянной Хаббла и определяет скорость расширения пространства как вокруг нас, так и вокруг любого наблюдателя во Вселенной.
Некоторых сбивает с толку то, что не все галактики подчиняются закону Хаббла. Ближайшая к нам крупная галактика (Андромеда) вообще движется к нам, а не от нас. Такие исключения бывают, поскольку закон Хаббла описывает лишь среднее поведение галактик. Но каждая из них может иметь и небольшое собственное движение, поскольку галактики гравитационно воздействуют друг на друга, как, например, наша Галактика и Андромеда. Отдаленные галактики также имеют небольшие хаотические скорости, но при большом расстоянии от нас (при большом значении d) эти случайные скорости ничтожно малы на фоне больших скоростей удаления (v). Поэтому для далеких галактик закон Хаббла выполняется с высокой точностью.
Согласно закону Хаббла, Вселенная расширяется не с постоянной скоростью. Некоторые галактики удаляются от нас со скоростью 1 тыс. км/с, другие, находящиеся вдвое дальше, со скоростью 2 тыс. км/с, и т.д. Таким образом, закон Хаббла указывает, что, начиная с некоторого расстояния, называемого хаббловским, галактики удаляются со сверхсветовой скоростью. Для измеренного значения постоянной Хаббла это расстояние составляет около 14 млрд. световых лет.
Но разве частная теория относительности Эйнштейна не утверждает, что никакой объект не может иметь скорость выше скорости света? Такой вопрос ставил в тупик многие поколения студентов. А ответ состоит в том, что частная теория относительности применима лишь к «нормальным» скоростям – к движению в пространстве. В законе Хаббла речь идет о скорости удаления, вызванного расширением самого пространства, а не движением в пространстве. Этот эффект общей теории относительности не подчиняется частной теории относительности. Наличие скорости удаления выше скорости света никак не нарушает частную теорию относительности. По-прежнему верно, что никто не может догнать луч света.
МОГУТ ЛИ ГАЛАКТИКИ УДАЛЯТЬСЯ СО СКОРОСТЬЮ ВЫШЕ СКОРОСТИ СВЕТА?
НЕВЕРНО : Частная теория относительности Эйнштейна запрещает это. Рассмотрим область пространства, содержащую несколько галактик. Из-за ее расширения галактики удаляются от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость (красные стрелки). Если скорость света – предел, то скорость удаления должна в итоге стать постоянной.
ВЕРНО : Разумеется, могут. Частная теория относительности не рассматривает скорость удаления. Скорость удаления бесконечно возрастает с рассто- янием. Дальше некоторого расстояния, называемого хаббловским, она превышает скорость света. Это не является нарушением теории относительности, пос- кольку удаление вызвано не движением в простран- стве, а расширением самого пространства.
МОЖНО ЛИ УВИДЕТЬ ГАЛАКТИКИ, УДАЛЯЮЩИЕСЯ БЫСТРЕЕ СВЕТА?
НЕВЕРНО : Конечно нет. Свет от таких галактик улетает вместе с ними. Пусть галактика находится за пределом хаббловского расстояния (сфера), т.е. удаляется от нас быстрее скорости света. Она испускает фотон (помечено желтым цветом). Пока фотон летит сквозь пространство, само оно расширяется. Расстояние до Земли увеличивается быстрее, чем движется фотон. Он никогда не достигнет нас.
ВЕРНО : Конечно можно, поскольку скорость расширения изменяется со временем. Сначала фотон действительно сносится расширением. Однако хаббловское расстояние не постоянно: оно увеличивается, и в конце концов фотон может попасть в сферу Хаббла. Как только это случится, фотон будет двигаться быстрее, чем удаляется Земля, и он сможет достичь нас.
Растяжение фотонов
Первые наблюдения, показывающие, что Вселенная расширяется, были сделаны между 1910 и 1930 г. В лаборатории атомы испускают и поглощают свет всегда на определенных длинах волн. То же наблюдается и в спектрах далеких галактик, но со смещением в длинноволновую область. Астрономы говорят, что излучение галактики испытывает красное смещение. Объяснение простое: при расширении пространства световая волна растягивается и поэтому ослабевает. Если в течение того времени, пока световая волна дошла до нас, Вселенная расширилась вдвое, то и длина волны удвоилась, а ее энергия ослабла в два раза.
ГИПОТЕЗА УСТАЛОСТИ
Каждый раз, когда Scientific American публикует статью по космологии, многие читатели пишут нам, что, по их мнению, галактики на самом деле не удаляются от нас и что расширение пространства – иллюзия. Они полагают, что красное смещение в спектрах галактик вызвано чем-то вроде «утомления» от долгой поездки. Некий неизвестный процесс вынуждает свет, распространяясь сквозь пространство, терять энергию и поэтому краснеть.
Данной гипотезе уже более полувека, и на первый взгляд она выглядит разумной. Но она совершенно не согласуется с наблюдениями. Например, когда звезда взрывается как сверхновая, она вспыхивает, а затем тускнеет. Весь процесс длится примерно две недели у сверхновых того типа, который астрономы используют для определения расстояний до галактик. За этот период времени сверхновая излучает поток фотонов. Гипотеза усталости света говорит, что за время пути фотоны потеряют энергию, но наблюдатель все равно получит поток фотонов длительностью в две недели.
Однако в расширяющемся пространстве не только сами фотоны растягиваются (и поэтому теряют энергию), но и их поток также растягивается. Поэтому требуется более двух недель, чтобы все фотоны добрались до Земли. Наблюдения подтверждают такой эффект. Вспышка сверхновой в галактике с красным смещением 0,5 наблюдается три недели, а в галактике с красным смещением 1 – месяц.
Гипотеза усталости света противоречит также наблюдениям спектра реликтового излучения и измерениям поверхностной яркости далеких галактик. Пришло время отправить на покой «утомленный свет» (Чарльз Линевивер и Тамара Дэвис).
Сверхновые звезды, как эта в скоплении галактик в Деве, помогают измерять космическое расширение. Их наблюдаемые свойства исключают альтернативные космологические теории, в которых пространство не расширяется.
Процесс можно описать в терминах температуры. Испускаемые телом фотоны имеют распределение по энергии, которое в целом характеризуют температурой, указывающей, насколько тело горячее. Когда фотоны движутся в расширяющемся пространстве, они теряют энергию и их температура снижается. Таким образом, Вселенная при расширении охлаждается, как сжатый воздух, вырывающийся из баллона аквалангиста. К примеру, реликтовое излучение сейчас имеет температуру около 3 К, тогда как оно родилось при температуре около 3000 К. Но с того времени Вселенная увеличилась в размере в 1000 раз, а температура фотонов понизилась во столько же раз. Наблюдая газ в далеких галактиках, астрономы прямо измеряют температуру этого излучения в далеком прошлом. Измерения подтверждают, что Вселенная со временем охлаждается.
В связи между красным смещением и скоростью также существуют некоторые противоречия. Красное смещение, вызванное расширением, часто путают с более знакомым красным смещением, вызванным эффектом Доплера, который обычно делает звуковые волны более длинными, если источник звука удаляется. То же верно и для световых волн, которые становятся более длинными, если источник света отдаляется в пространстве.
Доплеровское красное смещение и космологическое красное смещение – вещи абсолютно разные и описываются различными формулами. Первая вытекает из частной теории относительности, которая не принимает во внимание расширение пространства, а вторая следует из общей теории относительности. Эти две формулы почти одинаковы для близлежащих галактик, но различаются для отдаленных.
Согласно формуле Доплера, если скорость объекта в пространстве приближается к скорости света, то его красное смещение стремится к бесконечности, а длина волны становится слишком большой и поэтому недоступной для наблюдения. Если бы это было верно для галактик, то самые отдаленные видимые объекты на небе удалялись бы со скоростью, заметно меньшей скорости света. Но космологическая формула для красного смещения приводит к другому выводу. В рамках стандартной космологической модели галактики с красным смещением около 1,5 (т.е. принимаемая длина волны их излучения на 50% больше лабораторного значения) удаляются со скоростью света. Астрономы уже обнаружили около 1000 галактик с красным смещением больше 1,5. А значит, нам известно около 1000 объектов, удаляющихся быстрее скорости света. Реликтовое излучение приходит с еще большего расстояния и имеет красное смещение около 1000. Когда горячая плазма молодой Вселенной испускала принимаемое нами сегодня излучение, она удалялась от нас почти в 50 раз быстрее скорости света.
Бег на месте
Трудно поверить, что мы можем видеть галактики, движущиеся быстрее скорости света, однако это возможно из-за изменения скорости расширения. Вообразите луч света, идущий к нам с расстояния большего, чем расстояние Хаббла (14 млрд. световых лет). Он движется к нам со скоростью света относительно своего местоположения, но само оно удаляется от нас быстрее скорости света. Хотя свет устремляется к нам с максимально возможной скоростью, он не может угнаться за расширением пространства. Это напоминает ребенка, пытающегося бежать в обратную сторону по эскалатору. Фотоны на хаббловском расстоянии перемещаются с максимальной скоростью, чтобы оставаться на прежнем месте.
Можно подумать, что свет из областей, удаленных дальше расстояния Хаббла, никогда не сможет дойти до нас и мы его никогда не увидим. Но расстояние Хаббла не остается неизменным, поскольку постоянная Хаббла, от которой оно зависит, меняется со временем. Эта величина пропорциональна скорости разбегания двух галактик, деленной на расстояние между ними. (Для вычисления можно использовать любые две галактики.) В моделях Вселенной, согласующихся с астрономическими наблюдениями, знаменатель увеличивается быстрее числителя, поэтому постоянная Хаббла уменьшается. Следовательно, расстояние Хаббла растет. А раз так, свет, который первоначально не достигал нас, может со временем оказаться в пределах хаббловского расстояния. Тогда фотоны окажутся в области, удаляющейся медленнее скорости света, после чего они смогут добраться до нас.
ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ЛИ КОСМИЧЕСКОЕ КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ – ЭТО ДОПЛЕРОВСКОЕ СМЕЩЕНИЕ?
НЕВЕРНО : Да, потому что удаляющиеся галактики движутся в пространстве. В эффекте Доплера световые волны растягиваются (становясь более красными), когда их источник удаляется от наблюдателя. Длина волны света не меняется во время его путешествия сквозь пространство. Наблюдатель принимает свет, измеряет его красное смещение и вычисляет скорость галактики.
ВЕРНО
: Нет, красное смещение не имеет никакого отношения к эффекту Доплера. Галактика почти неподвижна в пространстве, поэтому испускает свет одинаковой длины волны во всех направлениях. За время пути длина волны становится больше, поскольку пространство расширяется. Поэтому свет постепенно краснеет. Наблюдатель принимает свет, измеряет его красное смещение и вычисляет скорость галактики. Космическое красное смещение отличается от доплеровского смещения, что подтверждают наблюдения.
Однако галактика, пославшая свет, может продолжать удаляться со сверхсветовой скоростью. Таким образом, мы можем наблюдать свет от галактик, которые, как и прежде, всегда будут удаляться быстрее скорости света. Одним словом, хаббловское расстояние не фиксировано и не указывает нам границы наблюдаемой Вселенной.
А что в действительности отмечает границу наблюдаемого пространства? Здесь тоже происходит некая путаница. Если бы пространство не расширялось, то самый отдаленный объект мы могли бы наблюдать теперь на расстоянии около 14 млрд. световых лет от нас, т.е. на расстоянии, которое свет преодолел за 14 млрд. лет, прошедших с момента Большого взрыва. Но поскольку Вселенная расширяется, пространство, пересеченное фотоном, расширилось за время его пути. Поэтому текущее расстояние до самого удаленного из наблюдаемых объектов примерно втрое больше – около 46 млрд. световых лет.
Раньше космологи думали, что мы живем в замедляющейся Вселенной и поэтому можем наблюдать все больше и больше галактик. Однако в ускоряющейся Вселенной мы отгорожены границей, вне которой никогда не увидим происходящие события – это космический горизонт событий. Если свет от галактик, удаляющихся быстрее скорости света, достигнет нас, значит, расстояние Хаббла увеличится. Но в ускоряющейся Вселенной его увеличение запрещено. Удаленное событие может послать луч света в нашем направлении, но этот свет навсегда останется за пределом расстояния Хаббла из-за ускорения расширения.
Как видим, ускоряющаяся Вселенная напоминает черную дыру, тоже имеющую горизонт событий, извне которого мы не получаем сигналов. Нынешнее расстояние до нашего космического горизонта событий (16 млрд. световых лет) целиком лежит в пределах нашей наблюдаемой области. Свет, испущенный галактиками, находящимися сейчас дальше космического горизонта событий, никогда не сможет достигнуть нас, т.к. расстояние, которое сейчас соответствует 16 млрд. световых лет, будет расширяться слишком быстро. Мы сможем увидеть события, происходившие в галактиках прежде, чем они пересекли горизонт, но о последующих событиях мы не узнаем никогда.
Во Вселенной расширяется все?
Люди часто думают, что если пространство расширяется, то и все в нем тоже расширяется. Но это неверно. Расширение как таковое (т.е. по инерции, без ускорения или замедления) не производит никакой силы. Длина волны фотона увеличивается вместе с ростом Вселенной, поскольку в отличие от атомов и планет фотоны не связанные объекты, размеры которых определяются равновесием сил. Изменяющаяся скорость расширения действительно вносит новую силу в равновесие, но и она не может заставить объекты расширяться или сжиматься.
Например, если бы гравитация стала сильнее, ваш спинной мозг сжался бы, пока электроны в позвоночнике не достигли бы нового положения равновесия, чуть ближе друг к другу. Ваш рост немного уменьшился бы, но сжатие на этом прекратилось бы. Точно так же, если бы мы жили во Вселенной с преобладанием сил тяготения, как еще несколько лет назад считало большинство космологов, то расширение замедлялось бы, а на все тела действовало бы слабое сжатие, заставляющее их достигать меньшего равновесного размера. Но, достигнув его, они бы больше не сжимались.
НАСКОЛЬКО ВЕЛИКА НАБЛЮДАЕМАЯ ВСЕЛЕННАЯ?
НЕВЕРНО : Вселенной 14 млрд. лет, поэтому наблюдаемая ее часть должна иметь радиус 14 млрд. световых лет.Рассмотрим самую далекую из наблюдаемых галактик – ту, чьи фотоны, испущенные сразу после Большого взрыва, только теперь достигли нас. Световой год – это расстояние, проходимое фотоном за год. Значит, фотон преодолел 14 млрд. световых лет
ВЕРНО
: Поскольку пространство расширяется, наблюдаемая область имеет радиус больше, чем 14 млрд. световых лет. Пока фотон путешествует, пространство, которое он пересекает, расширяется. К моменту, когда он достигает нас, расстояние до испустившей его галактики становится больше, чем просто вычисленное по времени полета, – приблизительно втрое больше
Фактически же расширение ускоряется, что вызвано слабой силой, «раздувающей» все тела. Поэтому связанные объекты имеют размеры немного больше, чем были бы в неускоряющейся Вселенной, поскольку равновесие сил достигается у них при немного большем размере. На поверхности Земли ускорение, направленное наружу, от центра планеты, составляет мизерную долю ($10^{–30}$) нормального гравитационного ускорения к центру. Если это ускорение неизменно, то оно не заставит Землю расширяться. Просто планета принимает чуть больший размер, чем он был бы без силы отталкивания.
Но все изменится, если ускорение не постоянно, как полагают некоторые космологи. Если отталкивание увеличивается, то это может в конце концов вызвать разрушение всех структур и привести к «Большому разрыву», который произошел бы не из-за расширения или ускорения как такового, а потому что ускорение ускорялось бы.
А ОБЪЕКТЫ ВО ВСЕЛЕННОЙ ТОЖЕ РАСШИРЯЮТСЯ?
НЕВЕРНО : Да. Расширение заставляет Вселенную и все находящееся в ней увеличиваться. В качестве объекта рассмотрим скопление галактик. Раз Вселенная становится больше, то и скопление – также. Граница скопления (желтая линия) расширяется.
ВЕРНО : Нет. Вселенная расширяется, но связанные объекты в ней не делают этого. Соседние галактики сначала удаляются, но в конечном счете их взаимное притяжение пересиливает расширение. Формируется скопление такого размера, которое соответствует его равновесному состоянию.
По мере того как новые точные измерения помогают космологам лучше понять расширение и ускорение, они могут задаться еще более фундаментальными вопросами о самых ранних мгновениях и наибольших масштабах Вселенной. Чем было вызвано расширение? Многие космологи считают, что в этом виноват процесс, называемый «инфляцией» (раздуванием), особый тип ускоряющегося расширения. Но возможно, это лишь частичный ответ: чтобы она началась, похоже, Вселенная уже должна была расширяться. А что относительно наибольших масштабов за пределом наших наблюдений? Расширяются ли разные части Вселенной по-разному, так, что наша Вселенная – это всего лишь скромный инфляционный пузырь в гигантской сверхвселенной? Никто не знает. Но мы надеемся, что со временем мы сможем прийти к пониманию процесса расширения Вселенной.
ОБ АВТОРАХ:
Чарльз Линевивер (Charles H. Lineweaver) и Тамара Дэвис (Tamara M. Davis) – астрономы из австралийской обсерватории Маунт-Стромло. В начале 1990-х гг. в Калифорнийском университете в Беркли Линевивер входил в группу ученых, открывших с помощью спутника COBE флуктуации реликтового излучения. Он защитил диссертацию не только по астрофизике, но и по истории и английской литературе. Дэвис работает над созданием космической обсерватории Supernova/Acceleration Probe (Исследователь сверхновых звезд и ускорения).
ЗАМЕЧАНИЯ К СТАТЬЕ «ПАРАДОКСЫ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА»
Профессор Засов Анатолий Владимирович, физ. ф-т МГУ: Все недоразумения, с которыми спорят авторы статьи, связаны с тем, что для наглядности чаще всего рассматривают расширение ограниченного объема Вселенной в жесткой системе отсчета (причем расширение достаточно маленькой области, чтобы не учитывать разность хода времени на Земле и на далеких галактиках в земной системе отсчета). Отсюда представление и о взрыве, и о доплеровском смещении, и распространенная путаница со скоростями движения. Авторы же пишут, и пишут правильно, как все выглядит в неинерциальной (сопутствующей) системе координат, в которой обычно работают космологи, хотя в статье прямо не говорится об этом (в принципе, все расстояния и скорости зависят от выбора системы отсчета, и здесь всегда есть некий произвол). Единственно, что написано нечетко, так это то, что не определено, что же в расширяющейся Вселенной понимается под расстоянием. Сначала у авторов это скорость света, умноженная на время распространения, а далее говорится, что необходим еще учет расширения, которое удалило галактику еще больше, пока свет был в пути. Таким образом, расстояние уже понимается как скорость света, умноженная на время распространения, которое он потратил бы, если бы галактика перестала удаляться и излучила свет сейчас. В действительности все сложнее. Расстояние – величина модельно зависимая и непосредственно из наблюдений не получаемая, поэтому космологи без него прекрасно обходятся, заменяя красным смещением. Но может быть, более строгий подход здесь и неуместен.
