Журнал "Вокруг Света" № 5 за 2003 год

На ранних этапах эволюции Вселенной, когда ее размеры были в 3—5 раз меньше современных, квазаров было значительно больше, чем сейчас. В настоящее время считается, что черные дыры есть в центрах почти всех близких галактик и представляют они собой бывшие квазары, собирающие материю значительно медленнее, чем они это делали в пору своей юности. И происходит это совсем не потому, что они «выдохлись», просто в окрестностях черных дыр стало меньше материала для поглощения. Вполне возможно, что квазары — это определенный этап развития галактики и что все современные галактики, в том числе и наша собственная, когда-то были квазарами.

Близкими родственниками квазаров, очевидно, являются Сейфертовские галактики и радиогалактики. Сейфертовскими называются галактики, в видимой области излучения похожие на обычные спиральные, но с очень активными ядрами, мощность излучения которых к тому же сильно меняется со временем, указывая на происходящие там грандиозные процессы. Радиогалактики, отличающиеся мощным излучением в радиодиапазоне, являются огромными эллиптическими галактиками. Мощности Сейфертовских и радиогалактик также обеспечиваются сверхмассивными черными дырами, находящимися в их центрах. Не исключено, что все это разнообразие типов — просто определенные этапы эволюции галактик, которые наблюдаются во Вселенной сейчас.

Эволюция галактик

Согласно принятой иерархической модели формирования галактик первыми структурами, образовавшимися в ранней Вселенной, являются маленькие протогалактики, массы которых составляют всего несколько тысяч Солнц. Появляется все больше доказательств того, что главными движущими силами эволюции галактик и причиной их разнообразия являются взаимодействие и столкновение галактик друг с другом. При этом не следует думать, что столкновение двух галактик будет представлять собой бесчисленные столкновения между входящими в них звездами. На самом деле, вероятность столкновения двух звезд очень мала, потому что размеры их очень малы по сравнению со средним расстоянием между ними. Но межзвездное пространство заполнено газом и пылью, и именно эти компоненты взаимодействуют, когда галактики сталкиваются. Гравитационное взаимодействие приводит к нарушению структуры газопылевой среды и к перекачиванию вещества из одной галактики в другую.

Трение, возникающее между газом в сталкивающихся галактиках, порождает ударные волны, которые могут вызвать образование новых звезд. Новые звезды в первые несколько миллионов лет своей жизни имеют весьма необычную светимость и голубизну, а потому обнаружение таких звезд является наиболее очевидным признаком произошедшего столкновения.

Эти процессы радикально влияют на их структуру. Например, две спиральные галактики могут слиться и сформировать эллиптическую. Большие галактики поглощают маленькие и растут до еще больших размеров. Все эти процессы длятся миллионы лет (не так уж много по астрономическим масштабам времени), но вот человеческой жизни явно не хватит на то, чтобы зафиксировать все их стадии. Для того чтобы увидеть динамику, нужно наблюдать несколько пар взаимодействующих галактик в различные моменты их слияния и затем составить последовательность изображений во времени.

Многие активные галактики, включая квазары, также являются частью взаимодействующих или сливающихся систем. Множество далеких, а следовательно, очень старых галактик носят следы разрушения, что свидетельствует о том, что в ранней Вселенной столкновения галактик были скорее правилом, чем исключением. Проведенные вычисления показывают, что большинство скоплений галактик уже прошло через одно или более таких столкновений. Наш Млечный Путь, очевидно, тоже является результатом слияния небольших галактик. Существует маленькая карликовая галактика, которая вливается в нашу прямо сейчас, а еще восемь близрасположенных карликовых галактик сольются с ней через некоторое время.

Эхо большого взрыва

В 1964 году физики Арно Пензиас и Роберт Вилсон, сотрудники Bell Laboratories, занимавшиеся обслуживанием радиоантенны слежения за американским космическим спутником «Эхо» в Холмделе (Нью-Джерси), решили проверить некоторые свои научные гипотезы о радиоизлучении тех или иных объектов Вселенной. Антенна была самым чувствительным на тот момент детектором СВЧ-волн, а потому сначала ее надо было правильно настроить, чтобы исключить возможные помехи.

Для тестирования была выбрана длина волны 7,35 см, на которой не излучал ни один из известных источников. Работа долго не клеилась, поскольку антенна постоянно фиксировала некий дополнительный посторонний шум, от которого никак нельзя было избавиться. Проверка всех компонентов и даже удаление из дорогостоящей аппаратуры неизвестно как попавшего туда голубиного помета эффекта не принесли. Шум не зависел ни от направления антенны, что означало, что его источник находится за пределами Земли и ее атмосферы, ни от времени суток, то есть не мог быть связан с Солнцем или планетами. Если бы причина крылась в нашей Галактике, то интенсивность излучения изменялась бы из-за вращения Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, изменяющего направление антенны на те или иные участки космоса. Шум же был везде и всегда.

Интенсивность этого радиосигнала оказалась равной интенсивности излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К (К — Кельвин, единица температуры: О К — «абсолютный нуль» — температура тела, состоящего из неподвижных атомов, а 273 К соответствует 0°С). Потратив около года на устранение неустранимой помехи, Пензиас и Вилсон поняли, что нашли то, чего не теряли, — реликтовое излучение ранней Вселенной, существование которого было предсказано Джорджем Гамовым еще в 1948 году.

По иронии судьбы, в то же самое время Роберт Дикке и Джим Пиблз из расположенного по соседству с Холмделом Принстонского университета вычислили, что такое излучение, если оно действительно существует, должно быть изотропным (не зависеть от направления) и соответствовать температуре излучения абсолютно черного тела с температурой не более 10 К, о чем Пиблз и рассказал на своей лекции в начале 1965 года. Случайно узнавший об этом Пензиас позвонил в Принстон, когда там уже почти смонтировали аппаратуру для практического поиска сигнала. Включать ее уже не имело смысла.

Теоретическое обоснование открытия взяли на себя принстонцы, но тем не менее Нобелевская премия 1978 года была присуждена Пензиасу и Вилсону именно за практическое обнаружение излучения.

Что же такое реликтовое излучение? Согласно теории Большого Взрыва Вселенная возникла приблизительно 14 млрд. лет назад в результате грандиозного взрыва, создавшего пространство и время, всю материю и энергию, которые нас окружают. Новорожденная Вселенная прошла стадию чрезвычайно быстрого расширения, названного инфляцией, которая радикально изменила пейзаж младенческого космоса. До возраста приблизительно 300 тыс. лет Вселенная была кипящим котлом из электронов, протонов, нейтрино и излучения, которые взаимодействовали между собой и составляли единую среду, равномерно заполняющую всю раннюю Вселенную. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало эту среду, и, когда температура упала до значения нескольких тысяч градусов, наступило время для формирования стабильных атомов. Так же в результате расширения первоначальное излучение стало куда менее интенсивным, но не пропало совсем. Именно его и обнаружили будущие нобелевские лауреаты.

Реликтовое излучение равномерно заполняет всю Вселенную, и, если мы могли бы видеть микроволны, все небо пылало бы с поразительно одинаковой яркостью во всех направлениях. Эта однородность является одной из главных причин, по которой это излучение считают теплом, оставшимся от Большого Взрыва. Но как может локальный источник создать подобную однородность? Оказывается, этому способствует сам процесс расширения пространства. Чтобы наглядно понять, как это происходит, представьте себе такую большую и очевидную неоднородность, как гора Джомолунгма. Теперь начните мысленно растягивать эту гору в ширину, оставляя высоту неизменной. Если как следует постараться и растянуть ее в ширину, скажем, на миллион километров, то получится почти идеально плоская поверхность — перепад высот в 8 км (высота горы) будет практически незаметен на таком колоссальном масштабе. Именно это и происходит при расширении пространства после Большого Взрыва — все неоднородности сглаживаются. Но возникшие после инфляции крошечные изменения в плотности материи в ранней Вселенной должны были оставить отпечаток на реликтовом излучении в форме температурных колебаний от точки к точке.

Долгое время Вселенная, остыв после Большого Взрыва, оставалась темной и холодной — ничто ее не освещало. Этот период, названный «Темными веками», закончился, когда сформировались звезды. Очень ранний возраст Вселенной, к которому относят начало формирования первого поколения звезд, впервые осветивших ее спустя всего 200 млн. лет после Большого Взрыва, привел к идее о том, что таинственный тип невидимой материи собрал газ вместе вскоре после рождения Вселенной, позволив сформироваться первым звездам и галактикам.

Скрытая масса (или темная материя) возникла почти сразу после Большого Взрыва, в отличие от знакомых нам атомов. Она слабо взаимодействует с электромагнитным излучением (чем и объясняются трудности ее обнаружения), однако, как и «нормальная» материя, обладает гравитацией, поэтому способна сама собираться в сгущения и притягивать «нормальную» материю. Темная материя, возможно, служила теми гравитационными «зернами», которые вызывали увеличение плотности энергии в небольших областях пространства. Гравитационные силы этих областей притягивали к себе все окружающее вещество, становясь зернами будущих галактик. Сегодня уже достоверно известно, что галактики окружены гало из темной материи, которые в 10 раз массивнее видимых компонентов галактик.