Когда впервые преподносится этот замечательный факт, что почти все галактики удаляются от нас, и те, что в два раза дальше, движутся в два раза быстрее, те, что в три раза дальше — в три раза быстрее, и т. д., кажется очевидным, что это означает: мы центр Вселенной!
Как советуют некоторые друзья, мне нужно ежедневно напоминать, что это не так. Скорее, это точно соответствовало зависимости, предсказанной Леметром. Наша Вселенная действительно расширяется.
Я пробовал различные способы объяснить это, и я, честно говоря, не думаю, что есть хороший способ сделать это, если ваше мышление не ограничено рамками — в данном случае, рамками Вселенной. Чтобы понять, что подразумевает закон Хаббла, нужно удалиться с близорукой наблюдательной позиции нашей галактики и посмотреть на нашу Вселенную извне. Хотя трудно находиться за пределами трехмерной Вселенной, легко переместиться за пределы двумерной. На следующей странице я нарисовал одну такую расширяющуюся Вселенную в два разных момента времени. Как вы можете видеть, позднее галактики находятся дальше друг от друга.
Теперь представьте, что вы живете в одной из более поздних галактик, t2, которую я отмечу белым, в момент времени t2.
Чтобы понять, как эволюция Вселенной будет выглядеть с точки зрения этой галактики, я просто наложу правый рисунок на левый, поместив белую галактику поверх самой себя.
Вуаля! С точки зрения этой галактики все другие галактики удаляются, и те, что в два раза дальше, за то же время удалились на двойное расстояние, те, что в три раза дальше, удалились на тройное расстояние, и т. д. Пока нет ни одного края, те, кто в этой галактике, чувствуют, будто они находятся в центре расширения.
Не имеет значения, какую галактику выбрать. Выберите другую галактику и повторите:
В зависимости от вашей точки зрения, либо любое место является центром Вселенной, либо такого места нет. Это не имеет значения; закон Хаббла указывает на Вселенную, которая расширяется.
Итак, когда Хаббл с Хьюмасоном впервые сообщили о своих результатах в 1929 году, они не только описали линейную зависимость между расстоянием и скоростью удаления, но и дали количественную оценку самой скорости расширения. Вот фактические данные, представленные в то время:
Как вы можете видеть, Хаббл догадался провести прямую линию через полученные данные, кажется, довольно удачно. (Существует четко определенная взаимосвязь, но будет ли прямая подходить наилучшим образом, далеко не ясно на основании одних этих данных.) Скорость расширения, которую они получили, выведя ее из этой диаграммы, предполагает, что галактики, расположенные в миллионах парсеков друг от друга (в 3 миллионах световых лет, среднее расстояние между галактиками), отдаляются от нас со скоростью 500 километров / сек. Однако эта оценка была не слишком удачной.
Причину этого понять относительно просто. Если сегодня все галактики разлетаются, то раньше они были ближе друг к другу. Теперь, если гравитация — притягивающая сила, то она должна была замедлить расширение Вселенной. Это означает, что галактики, которые мы видим удаляющимися от нас со скоростью 500 километров в секунду сегодня, ранее должны были бы двигаться быстрее.
Тем не менее, если на данный момент мы просто предположим, что галактики мчались с такой скоростью всегда, мы можем отмотать пленку назад и выяснить, как давно они были на том месте, где находится наша галактика. Поскольку галактики, которые находятся в два раза дальше, движутся в два раза быстрее, если мы отмотаем пленку в обратном направлении, мы узнаем, что они были на нашем месте точно в одно и то же самое время. Действительно, вся наблюдаемая Вселенная сошлась бы в одной точке, точке Большого Взрыва, во время, которое мы можем оценить таким образом.
Такая оценка, очевидно, являлась бы верхним пределом возраста Вселенной, потому что, если галактики когда-то двигались быстрее, они оказались бы там, где сегодня, за меньшее время, чем предполагает эта оценка.
Согласно этой оценке, основанной на анализе Хаббла, Большой Взрыв произошел примерно 1,5 миллиарда лет назад. Однако даже в 1929 году уже были ясные доказательства (которые отвергали лишь некоторые библейские буквалисты в Теннесси, Огайо и некоторых других штатах), что Земле больше 3 миллиардов лет.
Так, для ученых было унизительно, обнаружить, что Земля старше Вселенной. Что более важно, это предполагает, что что-то не так с исследованиями.
Источником этой путаницы был тот простой факт, что оценки расстояний Хаббла, полученные с помощью зависимостей цефеид в нашей галактике, были систематически неверными. Шкала расстояний, основанная на использовании близлежащей цефеиды, с помощью которой оценивались расстояния до дальних цефеид, а затем до галактик, в которых наблюдались еще более отдаленные цефеиды, была неверной.
История о том, как эти систематические эффекты были преодолены, слишком длинная и запутанная, чтобы описывать ее здесь, и, в любом случае, больше не имеет значения, потому что у нас теперь есть гораздо лучший метод оценки расстояний.
Одна из моих любимых фотографий с космического телескопа Хаббл показана ниже:
На ней показана красивая спиральная галактика, далеко далеко, давным-давно (давным-давно, потому что свету от этой галактики требуется некоторое время — более 50 миллионов лет — чтобы до нас добраться). В спиральной галактике, такой как эта, напоминающей нашу собственную, около 100 миллиардов звезд. В ярком ядре в ее центре содержится, возможно, 10 миллиардов звезд. Обратите внимание на звезду в левом нижнем углу, светящую с яркостью, почти равной яркости этих 10 миллиардов звезд. Увидев ее впервые, вы могли бы разумно предположить, что это гораздо более близкая звезда в нашей галактике, которая случайно попала в кадр. Но на самом деле, это звезда из той же далекой галактики, более чем в 50 миллионах световых лет от Земли.
Разумеется, это не обычная звезда. Это звезда, которая только что взорвалась, сверхновая, один из самых ярких фейерверков во Вселенной. Когда звезда взрывается, она в течение короткого времени (приблизительно месяц) светит в видимом свете с яркостью 10 миллиардов звезд.
К счастью для нас, звезды не взрываются столь часто, примерно раз в сто лет в галактике. Но нам повезло, что они взрываются, потому что, если бы не это, нас бы здесь не было. Один из самых поэтичных фактов, которые я знаю о Вселенной, что, по сути, каждый атом в вашем теле произошел из звезды, которая взорвалась. Более того, атомы в левой руке, возможно, произошли из одной звезды, а в правой — из другой. Мы все, буквально, звездные дети, и наши тела сделаны из звездной пыли.
Откуда мы это знаем? Что ж, мы можем экстраполировать нашу картину Большого взрыва назад в то время, когда Вселенной было около 1 секунды, и мы посчитали, что вся наблюдаемая материя была сжата тогда в плотной плазме, температура которой должна была быть около 10 миллиардов градусов (по шкале Кельвина). При этой температуре ядерные реакции могут легко проходить между протонами и нейтронами, поскольку они связываются вместе, а затем разъединяются от дальнейших столкновений. После этого процесса, когда Вселенная остывает, мы можем предсказать, как часто эти первозданные ядерные составляющие будут соединяться, образуя ядра атомов, тяжелее чем водород (т. е. гелий, литий, и так далее).
Когда мы это сделаем, мы обнаружим, что, по сути, ни одно ядро — кроме лития, третьего по легкости ядра в природе — не было образовано из первозданного огненного шара, которым был Большой Взрыв. Мы уверены, что наши расчеты верны, потому что наши прогнозы относительного содержания легких элементов в космосе отлично согласуются с этими наблюдениями. Содержание этих легких элементов — водорода, дейтерия (ядра тяжелого водорода), гелия и лития — варьируется на 10 порядков (примерно 25 процентов протонов и нейтронов, по массе, оказались в гелии, тогда как 1 из 10 млрд нейтронов и протонов оказался в ядре лития). Что касается этого невероятного диапазона, наблюдения и теоретические предсказания совпадают.
Это одно из самых известных, значимых и успешных предсказаний говорит нам, что Большой Взрыв действительно был. Только горячий Большой Взрыв может произвести наблюдаемое обилие легких элементов и сохранять непротиворечивость с нынешним наблюдаемым расширением Вселенной. Я ношу в заднем кармане памятку, показывающую сравнение предсказанного и наблюдаемого относительного содержания легких элементов, так что каждый раз, когда я встречаю кого-то, кто не верит, что Большой Взрыв был, я могу ему это показать. Конечно, я обычно никогда не дохожу до этого в дискуссии, потому что данные редко производят впечатление на людей, которые решили заранее, что что-то здесь не так. Я все равно ношу эту карточку и воспроизведу ее для вас позже в книге.
Тогда как литий важен для некоторых людей, для остальных из нас гораздо важнее все остальные более тяжелые ядра, такие как углерод, азот, кислород, железо и так далее. Они не были созданы в Большом Взрыве. Единственное место, где они могли быть созданы — это раскаленные ядра звезд. И единственный способ, которым они могли попасть в ваше тело сегодня — это если эти звезды были достаточно любезны, чтобы взорваться, извергая свои продукты в космос, чтобы они могли в один прекрасный день слиться в небольшой голубой планете, расположенной вблизи звезды, которую мы называем Солнце. В ходе истории нашей галактики около 200 миллионов звезд взорвались. Эти мириады звезд пожертвовали собой, если хотите, чтобы однажды вы могли родиться. Я полагаю, это выдвигает их, не меньше, чем что-либо другое, на роль спасителя.
В ходе тщательных исследований, проведенных 1990-х годах, оказалось, что определенный тип взорвавшейся звезды, называемый сверхновая типа Ia, обладает замечательным свойством: с высокой точностью, те сверхновые типа Ia, которые по своей природе ярче, также сияют дольше. Корреляция, хотя до конца не изучена теоретически, эмпирически очень тесная. Это означает, что эти сверхновые очень хорошие «стандартные свечи». Под этим мы подразумеваем, что эти сверхновые могут быть использованы для калибровки расстояний, потому что их собственную яркость можно непосредственно установить путем измерения, которое не зависит от расстояния. Если мы наблюдаем сверхновую в далекой галактике, а мы можем это сделать, потому что они очень яркие, то, наблюдая, как долго она светит, мы можем получить ее внутреннюю яркость. Затем, измеряя ее видимую яркость нашими телескопами, мы можем точно узнать, насколько далеко находится сверхновая и ее галактика. Тогда, измерив «красное смещение» света от звезд в галактике, мы можем определить ее скорость, и таким образом можем сравнить скорость с расстоянием и вывести скорость расширения Вселенной.
Пока все хорошо, но если сверхновые взрываются в галактике примерно лишь раз в сто лет, насколько вероятно, что мы когда-либо сможем их увидеть? В конце концов, последняя сверхновая в нашей Г алактике, которую видели на Земле, была замечена Иоганном Кеплером в 1604 году! Действительно, это говорит о том, что сверхновые в нашей Галактике наблюдаются только во время жизни величайших астрономов, и Кеплер, конечно, отвечает этим требованиям.
Начав свою деятельность в качестве скромного учителя математики в Австрии, Кеплер стал помощником астронома Тихо Браге (который ранее сам наблюдал сверхновую в нашей галактике и которому по возвращении король Дании подарил целый остров), и используя данные Браге о положении планет в небе, взятые более чем за десять лет, Кеплер в начале семнадцатого века вывел свои знаменитые три закона движения планет:
1. Планеты движутся вокруг Солнца по эллипсам.
2. Линия, соединяющая планету и Солнце, описывает равные площади за равные промежутки времени.
3. Квадрат периода обращения планеты прямо пропорционален кубу (3-й степени) большой полуоси его орбиты (или, другими словами, «большой полуоси» эллипса, половине расстояния через самую широкую часть эллипса).
Эти законы в свою очередь заложили основу для получения Ньютоном универсального закона всемирного тяготения почти столетие спустя. Кроме этого замечательного вклада, Кеплер успешно защитил мать, обвиняемую в колдовстве, и написал, пожалуй, первый фантастический рассказ о путешествии на Луну.
В настоящее время, один из способов увидеть сверхновую — просто назначить по одному аспиранту на каждую галактику в небе. В конце концов, сто лет не слишком отличается, по крайней мере, в космическом смысле, от среднего времени, необходимого, чтобы сделать докторскую диссертацию, и аспирантов много, а их использовать дешево. К счастью, однако, мы не должны прибегать к таким крайним мерам, по очень простой причине: Вселенная большая и древняя, и, как следствие, редкие события происходят все время.
Выйдите однажды ночью в лес или пустыню, где можно увидеть звезды, и поднимите руку к небу, сделав маленький кружок между большим и указательным пальцами, размером с копейку. Направьте его на темный участок неба, где нет никаких видимых звезд. В этом темном участке, с помощью достаточно большого телескопа, вроде тех, что есть у нас на вооружении сегодня, вы могли бы различить, возможно, 100 000 галактик, каждая из которых содержит миллиарды звезд. Поскольку сверхновые взрываются один раз в сто лет, в пределах 100 000 галактик вы должны ожидать увидеть в среднем примерно три звезды, взорвавшиеся в данную ночь.
Астрономы именно так и сделали. Они выпросили время на телескопе, и в некоторые ночи могли увидеть одну взорвавшуюся звезду, в некоторые ночи две, а в некоторые ночи могло быть облачно, и они не могли увидеть ни одной. Таким образом, несколько групп смогли определить константу Хаббла с погрешностью менее 10 процентов. Новое число, около 70 километров в секунду для галактик, находящихся в среднем в 3 млн. световых лет друг от друга, почти в 10 раз меньше, чем полученное Хабблом и Хьюмасоном. В результате был сделан вывод, что возраст Вселенной ближе к 13 млрд лет, а не 1,5 млрд лет.
Как я опишу позже, это также полностью согласуется с независимыми оценками возраста старейших звезд в нашей галактике. От Браге до Кеплера, от Ле-метра до Эйнштейна и Хаббла, и от спектров звезд до содержания легких элементов, четыреста лет современной науки представили замечательную и непротиворечивую картину расширяющейся Вселенной. Ничто не разваливается. Картина Большого Взрыва находится в хорошем состоянии.
Глава 2: Космическая мистическая история: Взвешивая Вселенную
Установив, что у Вселенной было начало, и что она возникла в определенное и измеримое время в прошлом, следующий естественный вопрос звучит так: «Каков ее конец?»
На самом деле, это был именно тот вопрос, который привел меня из моей вотчины, физики элементарных частиц, в космологию. В течение 1970-х и 1980-х годов, благодаря детальному изучению движения звезд и газа в нашей Галактике, а также изучению движения галактик в больших группах галактик, называемых кластерами, становилось все более ясно, что во Вселенной есть не только то, что видится невооруженным глазом или в телескоп.
Гравитация является главной силой, действующей в огромных масштабах галактик, поэтому измерения движения объектов в этих масштабах позволяет нам исследовать гравитационное притяжение, вызывающее это движение. Такие измерения начались с новаторской работы американского астронома Веры Рубин и ее коллег в начале 1970-х. Рубин закончила Джорджтаун в степени доктора, посещая вечерние занятия, в то время как ее муж ждал в машине, потому что она не умела ее водить. Она подавала заявление в Принстон, но в этот университет не принимали женщин по программе аспирантов-астрономов до 1975 года. Рубин стала лишь второй женщиной, когда-либо награжденной Золотой медалью Королевского астрономического общества. Эта медаль и многие другие ее заслуженные награды стали следствием ее новаторских измерений скорости вращения нашей галактики. Наблюдая звезды и горячий газ все дальше от центра нашей галактики, Рубин определила, что эти области двигались гораздо быстрее, чем должны были бы, если бы гравитационная сила, вызывающая их движение, была обусловлена массой всех наблюдаемых объектов в галактике. Благодаря ее работе, космологам в конечном итоге стало ясно, что единственным способом объяснить это движение было постулировать существование значительно большей массы нашей Галактики, чем можно было объяснить, суммировав массу всего этого горячего газа и звезд.
В этой теории, однако, была одна проблема. Те же расчеты, которые так красиво объясняют наблюдаемое содержание легких элементов (водорода, гелия и лития) во Вселенной, также говорят нам, сколько примерно протонов и нейтронов, вещества обычной материи, должно существовать во Вселенной. Причина в том, что, как и в любом кулинарном рецепте — в данном случае в ядерной готовке — количество вашего конечного продукта зависит от того, сколько каждого ингредиента вы берете. Если вы удвоите рецепт, например, возьмете четыре яйца вместо двух, вы получите больше конечного продукта, в данном случае омлета. Тем не менее, начальная плотность протонов и нейтронов во Вселенной, возникшая в результате Большого Взрыва, как это установлено из наблюдаемого относительного содержания водорода, гелия и лития, обеспечивает примерно вдвое большее количество вещества, чем мы можем видеть в звездах и горячем газе. Где эти частицы?