Занимательно о космологии

Таковы три фридмановские модели вселенной. Все они начинаются с нулевого радиуса. Все расширяются. Две из них утверждают ненулевую кривизну пространства…

Но как поверить в эти теоретические рассуждения? Как убедиться в том, что вселенная, которую человечество испокон веков видит одной и той же, на самом деле находится в состоянии непрерывного движения, расширения, разлетания… Как понять, что пусть в далеком прошлом, но существовал такой момент, когда весь мир был сжат в точку? Момент начала всего, даже нашего времени?.. Как, наконец, убедиться в том, что пространство, окружающее нас, обладает кривизной? И какую из трех моделей Фридмана принять в качестве наиболее близкой к объективной реальности?

Эти вопросы буквально не давали спать по ночам теоретикам. Не только физики, не только астрономы и математики оказались втянутыми в дискуссию. Спор особенно обострился, когда в него вступили философы, а за ними и теологи, не желающие упустить возможности сказать и свое слово о науке с позиций религии… Вот уж поистине «куда конь с копытом, туда и рак с клешней»… И если у читателя не иссякло терпение, то автор рад ему сообщить, что последующие главы как раз и будут посвящены разрешению указанных недоумений и вопросов.

Вот оно, «еще одно великое открытие»

История открытия, о котором пойдет речь в этой главе, началась в 1912 году, когда американский астроном Весто Мелвин Слайфер предпринял на ловелловской обсерватории исследование спектров туманностей. В то время люди еще не знали точно, что собой представляют эти странные туманные пятнышки на небе — то ли действительно облака тумана, то ли скопления невообразимо далеких звезд. Не было уверенности и в том, насколько далеки от нас эти плохо различимые объекты и принадлежат ли они к нашей Галактике или находятся за ее пределами.

Впрочем, приступая к работе, Слайфер все-таки имел определенное мнение. Касалось оно спектров туманностей. Американский астроном был убежден, что примерно половина спектров всех объектов наблюдения должна быть сдвинута в красную сторону, а половина в фиолетовую.

Причина таких сдвигов объяснялась эффектом Доплера. Суть этого явления заключается в том, что при достаточно больших скоростях движения источников света — в данном случае туманностей — воспринимаемая наблюдателем частота электромагнитных колебаний будет либо увеличиваться при сближении источника света с наблюдателем, либо уменьшаться при удалении от наблюдателя.

Получается, что если туманное пятнышко летит в сторону Земли, длина световых волн должна укорачиваться. Спектральные линии покажутся нам сдвинутыми в фиолетовую область. Если же туманность летит от Земли, то все происходит наоборот и линии ее спектра должны казаться сдвинутыми в красную область более длинных волн. Это смещение измерялось в относительных величинах и определялось изменением длины испущенной волны к длине волны, принятой наблюдателем (Z = _n/ _n).

Физик Георгий Гамов, чтобы заставить студентов запомнить правило доплеровского эффекта, рассказывал на лекциях такой анекдот. Касался он коллеги Гамова, тоже известного американского физика по имени Роберт Вуд. Однажды в Балтиморе полиция задержала Вуда за то, что он въехал под красный свет. Знаменитый физик блестяще объяснил на суде, что из-за эффекта Доплера, в результате большой скорости его автомобиля, красный свет сдвинулся в фиолетовую сторону спектра до зеленого. И что он как водитель в нарушении не виноват. Судья уже решил было оправдать Вуда. Но, как на грех, в зале оказался студент, только что проваленный Вудом на экзамене. Студент быстро подсчитал скорость, требуемую для превращения красного света в зеленый. И судья, отказавшись от первоначального обвинения, оштрафовал Вуда за превышение скорости.

Приступая к наблюдениям, Слайфер рассуждал так: поскольку никакого преимущественного направления в космосе быть не может, примерно половина туманностей должна от нас удаляться, а половина приближаться. Можно представить себе недовольство исследователя, когда самые тщательные наблюдения показали, что из семнадцати наблюдаемых туманностей лишь две, судя по фиолетовому смещению, приближаются к Земле. Все остальные туманности имели красное смещение. А следовательно, направляли свой полет от нас.

Определение лучевых скоростей по спектральному сдвигу, надо полагать, считалось кропотливой и, по-видимому, довольно малоперспективной работой, потому что почти десять лет Слайфер был едва ли не единственным астрономом, занимающимся этим делом.

К началу двадцатых годов он измерил уже спектральный сдвиг и рассчитал скорости 41 туманного пятна. Почти все они удалялись. Лучевые скорости, рассчитанные по величине красного смещения, распределялись в пределах от 300 до 1800 км/сек — это значительно больше, чем самая высокая из известных в то время лучевых скоростей звезд.

Допустить, что один класс объектов Галактики принципиально только удаляется от нас, означало бы наделить и этот класс, и нашу солнечную систему какой-то исключительностью.

Непонятное поведение слайферовских туманностей заинтересовало еще двух астрономов. Это были Милтон Ла-Салль Хьюмассон, начинавший свою астрономическую карьеру сторожем обсерватории, и штатный астроном-наблюдатель Эдвин Пауэлл Хаббл. Впрочем, Хаббл был едва ли не больше, чем Хьюмассон, «астроном божьей милостью». Окончив Чикагский университет с дипломом адвоката, он в двадцать пять лет поступает в Иеркскую обсерваторию и становится астрономом-наблюдателем. Читатель, обладающий хорошей памятью, наверняка заметит про себя, что подобный случай в астрономии не уникален для прошлых лет. Но сменить так круто специальность в XX столетии — для этого нужно иметь не только мужество, но и истинное призвание к астрономии.

К этому времени в обсерватории на горе Вилсона вошел в строй самый большой телескоп в мире, обладающий зеркалом диаметром в два с половиной метра. И Хаббл вместе с Хьюмассоном начали ювелирную работу, фотографируя слабые туманности с выдержкой в несколько часов, а то и суток. Молодые астрономы виртуозно владели техникой, и наступил день, когда впервые в истории астрономии им удалось увидеть на фотографии туманности Андромеды — звезды.

Значит, все-таки туманности имеют звездный состав! А неразличимы они по той причине, что находятся от нас слишком далеко, за пределами нашей собственной звездной системы, нашей Галактики. Потому и предложили называть эти удаленные небесные объекты сначала внегалактическими туманностями. Однако доказательство звездного состава этих туманностей было таким значительным шагом вперед, что английский астроном Харлоу Шепли предложил переименовать внегалактические туманности в «галактики». Тем самым одновременно подчеркивалось колоссальное расширение пределов вселенной, которая оказалась состоящей из множества звездных островов, аналогичных нашему.

Почти всю жизнь посвятил Хаббл исследованию внегалактических туманностей, или галактик, расширив границы нашей вселенной до миллиарда световых лет. Последние десятилетия своей жизни астроном потратил на то, чтобы классифицировать и составить своеобразный каталог галактик. И к 1953 году — последнему году жизни Хаббла — его классификация была в основном готова. В нее вошло около тысячи наиболее ярких галактик северного и частично южного неба.

В 1928 году, фотографируя спектр наиболее слабого и удаленного туманного объекта, Хьюмассон сделал особенно длительную выдержку. Когда пластинка была проявлена, Хаббл вместе с Хьюмассоном углубился в ее изучение. Астрономы не поверили своим глазам. Галактика, обозначенная в каталоге Дрейера как NGC 7619, имела такой красный сдвиг спектра, что расчет ее скорости дал величину 3800 км/сек! Это была совершенно фантастическая в те времена скорость для небесного объекта. С этого момента Хаббл с еще большим вниманием стал исследовать поведение спектров внегалактических объектов.

Постепенно, по мере накопления результатов наблюдений, подтвердилась упомянутая выше странная особенность: почти все галактики, за небольшим исключением, показывали красное смещение. Это значило, что они удаляются от нашей звездной системы. При этом наиболее слабые галактики — самые удаленные от нас — имели это смещение спектра наибольшим. Напрашивался вывод, что далекие звездные острова разлетаются с большими скоростями, чем находящиеся ближе…

К 1929 году Хаббл сообщил, что ему удалось установить фундаментальную закономерность: красное смещение в спектрах галактик / пропорционально расстоянию до галактик.