Этюды о Вселенной

Квазары

Ученые обнаружили такие космические объекты, которые разлетаются с громадными скоростями, достигающими девяти десятых скорости света. Согласно закону Хаббла, это должны быть объекты, удаленные на десяток миллиардов световых лет и, следовательно, чрезвычайно яркие, раз их можно наблюдать с Земли. Эти источники энергии должны иметь ограниченные размеры, небольшие по сравнению с размерами галактик (отсюда и название «квазар» – квазизвездный объект), поскольку наблюдаются очень быстрые (в течение нескольких недель) изменения интенсивности их излучения. Широко распространено мнение, что мы здесь имеем дело с различными стадиями эволюции нормальной галактики; появление черной дыры в ее центральной части привело бы к превращению вещества в энергию с чрезвычайно высокой эффективностью по сравнению с обычными термоядерными реакциями, происходящими в звездах.

Результатом этого было бы появление космической вспышки малой длительности (меньше 100 млн. лет), но огромной интенсивности и, следовательно, видимой на очень далеких расстояниях. Некоторые астрофизики, в том числе Арп, не согласны с таким подходом и считают, что можно поставить под сомнение само соотношение Хаббла, связывающее скорости разлетания космических объектов с расстояниями между ними. Правда, такая точка зрения не является общепринятой.

Эффект линзы

На этом сюрпризы, связанные с квазарами, не кончаются. в 1979 г. Уолш, Карсуэлл и Вейманн, изучая двойной квазар 0957+561 с двумя составляющими а и В, обнаружили, что их спектры излучения и скорости удаления одинаковы. Таким образом, речь шла не о случайном выстраивании в одну линию изображений двух объектов. Согласно одной захватывающей гипотезе, мы здесь имеем дело с двойным, а может быть, и с тройным изображением одного и того же объекта. Раздвоение изображения, по-видимому, вызвано тем, что между нами и квазаром расположена галактика большой массы. Действительно, как уже говорилось ранее, в 1919 г. английские ученые обнаружили, что свет звезд, проходя рядом с Солнцем, слегка отклоняется за счет притяжения светила. Гравитационное поле Солнца ведет себя как гигантская линза диаметром в несколько миллионов километров. Именно этот эффект, предсказанный общей теорией относительности Эйнштейна, принес ученому всеобщую известность и в течение длительного времени представлял собой единственное экспериментальное подтверждение теории. Наш квазар 0957+561 выявил существование гравитационных линз космических масштабов. Согласно Юнгу, Гунну Кристиану, Оке и Вестфалу, на пути между нами и квазаром находится скопление галактик, которое ведет себя как гравитационная линза; аберрация этой линзы и приводит к раздвоению изображения. в настоящее время осуществляются очень сложные и точные эксперименты, результаты которых позволят прояснить детали двойного изображения, а следовательно, и формы галактической линзы.

Другие наблюдательные данные о галактических линзах

Впоследствии в подтверждение описанных результатов было получено известие об открытии еще одной галактической линзы, расположенной на пути к квазару 1115+080 и со всей очевидностью приводящей к наличию тройного изображения этого квазара.

Объекты такого рода представляют дальнейшее подтверждение теории относительности, если вообще в этом существует необходимость. Теория предсказывает, что количество изображений должно быть нечетным; и действительно, третье изображение, хотя и очень слабое, появляется на некоторых снимках квазара 0957+561, полученных с помощью большого радиотелескопа в Нью-Мексико. Более того, изображение квазара 1115+080, по всей видимости, является пятикратным. Согласно исследованиям группы Юнга, наличие многократных изображений может позволить провести новое измерение хаббловской константы расширения Вселенной, величина которой неоднократно пересматривалась и в настоящее время все еще является предметом дискуссий и полемики.

Если наши представления соответствуют действительности, то галактическая линза должна иметь колоссальные размеры, ее диаметр должен превышать миллионы световых лет, а в образование такой линзы должны давать вклад гравитационные поля целого скопления галактик. Мы находимся в преддверии новой эпохи в астрофизике, когда сведения о далеких галактиках будут получены путем исследования влияния их гравитации на свет, идущий от еще более далеких объектов, расположенных на одной с ними линии. Примерно десять миллиардов галактик можно наблюдать (во всяком случае, в принципе) в космосе; любой очень далеко расположенный квазар так или иначе оказывается на одной прямой с какой-нибудь более близкой к нам галактикой, которая искажает его изображение. до сих пор мы имели дело только с двумя крайними случаями таких искажений; наверняка существуют и другие искажения, которые еще не распознаны. Присутствие галактик искажает изображения далеких объектов, и наиболее удаленные области Вселенной выглядят деформированными, как дно горного потока. Относительность неизменно готовит нам все новые и новые сюрпризы.

7. Введение в космологию

Глубина и богатство содержания общей теории относительности проявляются в наибольшей мере, когда теория гравитации Эйнштейна используется для изучения явлений космических масштабов. в этом смысле общая теория относительности в громадной степени стимулировала развитие космологии.

Космические масштабы

Сколь велика Вселенная? на этот вопрос, который мне задают очень часто, трудно дать удовлетворительный ответ в нескольких словах. Ведь невозможно подступиться к важным темам современной космологии, не имея четкого представления хотя бы в общих чертах о размерах Вселенной и тех объектов, которые ее заполняют. Иногда удается объясниться, используя так называемую десятитысячную шкалу. Речь идет о последовательности объектов или расстояний, каждый из которых в десять тысяч раз больше предыдущего, причем отсчет начинается с размеров привычных, человеческих, и доходит до размеров Вселенной.

Итак, для начала возьмем характерный размер – высоту потолка, которую положим равной четырем метрам; затем умножим ее на десять тысяч и выйдем при этом в стратосферу (40 км). Следующий шаг приведет нас на Луну (400000 км), а умножив еще один раз на десять тысяч, мы попадем на границу Солнечной системы, удаленную на 4 млрд. км, т.е. на расстояние, которое свет пройдет за четыре часа. Мы уже находимся на четвертой ступени, соответствующей пределу, которого достигали автоматические станции, посланные с Земли. Следующий шаг катапультирует нас прямо к Альфе Центавра – ближайшей к нам звезде, удаленной на расстояние в 40000 млрд. км. Теперь уже один километр оказывается смехотворно маленьким, и в качестве единицы измерения используется световой год, который, как мы говорили выше, немногим меньше 10000 млрд. км, Альфа Центавра находится как раз на расстоянии 4,3 светового года, и таково типичное расстояние между звездами, расположенными вблизи Солнца.

Шестая ступенька приведет нас в недра Галактики – громадной линзообразной массы, заполненной сотнями миллиардов звезд. Солнце, которое находится на периферии, отдалено от центра Галактики чуть меньше чем на 40000 световых лет. Следующий шаг отнесет нас на расстояние в 400 млн. световых лет; при этом звезды уже заведомо слишком малы, чтобы быть видимыми с Земли, и Вселенная кажется нам равномерно заполненной миллиардами галактик, расстояния между которыми в среднем равны нескольким миллионам световых лет. Дальше продвигаться мы не можем: согласно представлениям современной космологии и имеющимся наблюдательным данным, невозможно увидеть объекты, отдаленные на расстояния, большие, чем примерно 12 млрд. световых лет. Таким образом, нам не хватило до последней ступеньки всего лишь множителя, равного 30.

В своей исчерпывающей, но, к сожалению, адресованной лишь специалистам книге, посвященной гравитации и космологии, известный физик Стив Вайнберг отмечает, что современная наука берет начало с открытия того, что Земля не является центром Вселенной. После проведенного здесь обсуждения, даже если философы и специалисты по истории науки будут нам возражать, мы сможем без труда согласиться с этим по причинам, о которых я не решаюсь говорить раньше времени. Во всяком случае развенчание нашей планеты явилось и началом современной космологии: оно породило космологический принцип.

Космологический принцип

Этот принцип утверждает, что в среднем Вселенная выглядит одинаково, в каком бы месте она ни рассматривалась.

Слова «в среднем» означают, что мы должны исследовать область Вселенной с диаметром порядка нескольких миллионов световых лет, что соответствует последнему отсчету нашей шкалы. Насколько можно судить, все имеющиеся наблюдательные данные согласуются с такой рабочей гипотезой. Космологический принцип необходим также и по менее благородным причинам: без него было бы почти невозможно решить сложнейшие уравнения поля Эйнштейна, которые описывают эволюцию Вселенной.

Биография космологического принципа поучительна, и ее стоит рассказать. в 1744 г. швейцарский астроном де Шезо и независимо от него в 1826 г. Ольберс сформулировали следующий парадокс, который привел к кризису тогдашних наивных космологических моделей. Представим себе, что пространство вокруг Земли бесконечно, вечно и неизменно и что оно равномерно заполнено звездами, причем их плотность в среднем постоянна. с помощью несложных вычислений Шезо и Ольберс показали, что полное количество света, посылаемое на Землю звездами, должно быть бесконечным, из-за чего ночное небо будет не черным, а, мягко говоря, залито светом. Чтобы избавиться от своего парадокса, они предположили существование в космосе обширных блуждающих непрозрачных туманностей, заслоняющих наиболее отдаленные звезды. на самом деле так выйти из положения нельзя: поглощая свет от звезд, туманности поневоле нагревались бы и сами излучали свет так же, как и звезды.

Итак, если справедлив космологический принцип, то мы не можем принять идею Аристотеля о вечной и не изменяющейся Вселенной. Здесь, как и в случае относительности, природа, похоже, предпочитает в своем развитии симметрию, а не мнимое аристотелево совершенство.

Возведение американским астрономом-меценатом Хейлом больших телескопов в обсерваториях Маунт-Вилсон и Паломар привело к целой серии ключевых с точки зрения современной космологии открытий. Прежде всего выяснилось, что при обсуждении парадокса Ольберса речь должна идти о галактиках, а не об отдельных звездах; кроме того, была установлена шкала расстояний в пространстве, о которой я уже рассказывал в несколько свободном стиле. Столь же важным оказалось признание того, что Вселенная непрерывно изменяется, являясь ареной внушительных эволюционных явлений, а также введение правильной шкалы времени для процессов, там происходящих.