В расширяющейся метагалактике

Одной из самых ошеломляющих астрономических теорий, появившейся на свет в текущем столетии, бесспорно, можно считать теорию «расширяющейся Вселенной» или, точнее говоря, расширяющейся Метагалактики.

Главная идея этой теории состоит в том, что Метагалактика возникла около 15-20 миллиардов лет назад в результате грандиозного космического взрыва компактного сгустка сверхплотной материи.

Несколько слов о том, как родилась эта теория.

Одним из самых эффективных методов изучения Вселенной является построение различных теоретических моделей, т. е. упрощенных теоретических схем мироздания. Длительное время в космологии изучались так называемые однородные изотропные модели. Что это значит?

Вообразим, что мы разбили Вселенную на множество «элементарных» областей и что каждая из них содержит большое количество галактик. Тогда однородность и изотропия означают, что свойства и поведение Вселенной в каждую эпоху одинаковы во всех достаточно больших областях и по всем направлениям.

Первую модель однородной изотропной Вселенной предложил А. Эйнштейн. Она описывала так называемую стационарную Вселенную, т. е. такую Вселенную, которая с течением времени не только не меняется в общих чертах, но в которой вообще нет каких-либо движений достаточно крупного масштаба.

Рис. 14. Схема расширения Метагалактики. Красное смещение спектральных линий возрастает с расстоянием

Однако в 1922 г. талантливый ленинградский ученый А. А. Фридман показал, что уравнения Эйнштейна допускают также множество нестационарных, а именно расширяющихся и сжимающихся, однородных изотропных моделей. Позднее выяснилось, что и статическая модель Эйнштейна неизбежно переходит в нестационарную. Но это означало, что однородная изотропная Вселенная обязательно должна либо расширяться, либо сжиматься.

Еще до этого американский астроном Слайфер обнаружил красное смещение спектральных линий в спектрах галактик. Подобное явление, известное в физике под названием эффекта Доплера, наблюдается в тех случаях, когда расстояние между источником света и приемником увеличивается.

Уже после работ Фридмана американский астроном Хаббл окончательно доказал, что чем дальше расположена от нас галактика, тем больше сдвиг линий в ее спектре. Мало того, обнаружилась прямая пропорциональная зависимость между расстояниями и величиной красного смещения. С точки зрения принципа Доплера это означает, что все галактики удаляются друг от друга с тем большей скоростью, чем больше расстояние между ними.

На основании этой картины движения галактик, полученной в результате объяснения красного смещения с помощью эффекта Доплера, и была разработана теория расширяющейся Метагалактики.

Однако признание этой теории отнюдь не было единодушным. В разное время предпринимались всевозможные попытки объяснить явление красного смещения не взаимным удалением галактик, а какими-либо другими причинами. Ни одна из предложенных гипотез успеха не имела.

Тем не менее попытки опровергнуть доплеровский характер красного смещения в спектре галактик продолжаются и по сей день.

Попытаемся разобраться в том, можно ли объяснить красное смещение в спектрах галактик не эффектом Доплера, а какой-либо иной причиной, и существуют ли сколько-нибудь серьезные основания сомневаться в расширении Метагалактики?

В качестве наиболее распространенного возражения против космологической интерпретации красного смещения выдвигалось предположение о «старении» фотонов, их постепенной «деградации» и уменьшении их энергии (т. е. увеличении длины волны) на долгом пути через космическое пространство.

Однако «спор» между эффектом Доплера и эффектом деградации может быть вполне однозначно разрешен с помощью астрономических наблюдений. Дело в том, что эти эффекты не совсем одинаковы.

Как показывают расчеты, при старении фотонов изменение Δν частоты ν (т. е. сдвиг спектральных линий) должно быть одинаково по всему спектру. Другими словами, величина сдвига не зависит от частоты.

В случае же эффекта Доплера изменение частоты пропорционально частоте. Тут постоянна не сама величина сдвига Δν, а ее отношение к соответствующей частоте Δν/ν. Другими словами, величина сдвига в этом случае неодинакова для различных линий спектра.

Что же говорят наблюдения? Они свидетельствуют о том, что как раз красное смещение, наблюдаемое в спектрах галактик, таково, что для различных линий одного и того же спектра одинаково не изменение частоты, а именно отношение этого изменения к самой частоте. И это недвусмысленно свидетельствует в пользу «допле-ровского» объяснения красного смещения в спектрах галактик.

Другой вопрос, происходит ли «деградация» космических фотонов вообще. Если сдвиг спектральных линий не зависит от частоты, то, очевидно, он должен быть заметнее всего в области относительно низких частот, т. е. в радиодиапазоне. Здесь словно на «растянутой» шкале радиоприемника даже небольшое изменение частоты должно сразу «бросаться в глаза». Однако никаких признаков подобного явления астрофизическими наблюдениями не обнаружено.

Правда, справедливость требует отметить, что в принципе есть еще одно физическое явление, обладающее такими же особенностями, как и эффект Доплера. Когда излучение распространяется в поле тяготения, то его частота изменяется так же, как и при взаимном удалении источника и приемника.

Но расчеты показывают, что в случае метагалактического красного смещения этот эффект, известный под названием «гравитационного смещения» или «эффекта Эйнштейна», по своей величине может представлять собой лишь весьма небольшую добавку к эффекту Доплера. Таким образом, современная физика не знает других явлений, кроме эффекта Доплера, с помощью которых можно было бы объяснить красное смещение, наблюдаемое в спектрах галактик.

Но есть ли вообще основания искать какие-то иные объяснения, не связанные с эффектом Доплера? Это было бы, очевидно, оправдано в том случае, если бы «доплеровская» картина приводила к каким-либо серьезным противоречиям. Существуют ли такие противоречия в действительности?

В свое время выдвигались возражения, связанные с возрастом космических объектов. Дело в том, что, согласно теории расширяющейся Метагалактики, продолжительность эпохи расширения исчисляется в 10-20 миллиардов лет. Не приводит ли это к противоречию с существующими оценками возраста звезд, звездных скоплений и галактик?

Одно время действительно казалось, что длительность эпохи расширения и возраст космических объектов не согласуются друг с другом. Однако сейчас можно считать общепризнанным, что продолжительность существования всех известных нам космических образований имеет порядок 10 миллиардов лет.

Тем не менее оценки возраста отдельных космических объектов в 20 и более миллиардов лет встречаются и сейчас. Возникает вопрос: если эти оценки в самом деле подтвердятся, будет ли это катастрофичным для теории расширения?

Как подчеркивает А. Л. Зельманов, вывод о продолжительности эпохи расширения Метагалактики, равной 10-20 миллиардам лет, сделан в рамках теории однородной изотропной Вселенной. В более общей теории этот срок может быть и несколько увеличен.

Однако и в теории однородной изотропной Вселенной возможны некоторые варианты, при которых эпоха расширения Метагалактики могла быть и более длительной. В большинстве вариантов теории в начале расширения преобладает взаимное гравитационное притяжение масс, которое тормозит, замедляет расширение. Но по мере расширения гравитационное притяжение слабеет, а космическое отталкивание, существование которого при определенных условиях допускают уравнения общей теории относительности, усиливается. Возможен случай, при котором притяжение в конце концов уравновешивается отталкиванием, а затем и уступает ему, - тогда замедляющееся расширение должно смениться ускоряющимся. Предположим, что Метагалактика вела себя именно так и мы живем в эпоху ускоренного расширения. Но это означает, что в недавнем прошлом оно протекало медленнее и, следовательно, длилось дольше, чем при непрекращающемся торможении.

С другой стороны, оценка возраста вполне может быть и уменьшена.

Согласно теории горячей расширяющейся Вселенной, через некоторое время после начала расширения должна была наступить такая фаза, когда все вещество представляло собой плазму, состоящую из электронов, протонов и ядер легких элементов. Кроме вещества, существовало и электромагнитное излучение: радиоволны, световые и рентгеновские лучи. В тот период вещество и излучение находились в равновесии. Частицы (главным образом электроны) излучали примерно столько же фотонов, сколько и поглощали.

Однако в дальнейшем температура упала настолько, что электроны стали соединяться с ионами, образуя атомы водорода, гелия и других химических элементов. Вследствие этого среда стала прозрачной для излучения. Другими словами, фотоны практически перестали испускаться и поглощаться.

В дальнейшем температура этого излучения постепенно уменьшалась, и, согласно расчетам, вытекающим из модели горячей расширяющейся Вселенной, мировое пространство в современную эпоху должно быть заполнено излучением с температурой около 3-4 Кельвинов.

В 1965 г. это гипотетическое излучение было зарегистрировано и получило название реликтового. Обнаружение реликтового излучения прямо свидетельствует о том, что расширение Вселенной длится уже много миллиардов лет из состояния, неизмеримо более плотного, чем современное.

Однако в самые последние годы возникли кое-какие поводы для сомнений. Некоторые исследователи считали, что на самом деле зарегистрирован лишь некий общий тепловой фон Метагалактики, имеющий совершенно иную физическую природу.

Выдвигалась также гипотеза, согласно которой излучение, принимаемое за реликтовое, на самом деле принадлежало в отдаленном прошлом каким-то отдельным космическим объектам, а затем постепенно рассеялось в мировом пространстве.

Однако на проходившем летом 1970 г. в Англии очередном конгрессе Международного астрономического союза ученые пришли к единому мнению, что никаких серьезных оснований сомневаться в реликтовом характере зарегистрированного космического радиоизлучения в настоящее время не существует.

Что же касается гипотезы обособленных источников реликтового излучения, то в тех местах, где они когда-то располагались, должны были бы наблюдаться небольшие флуктуации (колебания) радиоизлучения.

Однако, как показали исследования, проведенные советским радиоастрономом Ю. Н. Парийским, можно с очень большой точностью утверждать, что подобных флуктуации нигде нет.

Но если бы даже оказалось, что реликтового излучения не существует вообще, то и это вовсе не означало бы, что от теории расширения следует отказаться. В рамках этой теории возможен и такой вариант, при котором реликтовое излучение не возникает.

Очень важный аргумент в пользу теории расширения Вселенной дает изучение квазаров. В сравнительно близких к нам областях Вселенной пространственная плотность этих объектов довольно мала. На расстояниях же порядка 7-9 миллиардов световых лет она значительно возрастает, чтобы потом вновь упасть до нуля. Но это означает, что в далеком прошлом пространственная плотность квазаров была больше, а в более раннюю эпоху они еще не возникали.

Таким образом, квазары дают нам независимое подтверждение того, что Вселенная отнюдь не станционарна. Тем не менее выражаются сомнения по поводу того, имеются ли вообще в нашем распоряжении необходимые эталоны для измерения величины красного смещения. Ведь если длины волн электромагнитного излучения увеличиваются так же, как метагалактические расстояния, а размеры атомов - так же, как и длины волн, то тогда действительно ничего нельзя обнаружить.

Црежде всего необходимо отметить, что современная физика исходит из того, что при расширении Метагалактики происходит изменение лишь космологических масштабов. Что же касается масштабов микроскопических и макроскопических, то они в процессе расширения сохраняются. И это не просто одна из возможных точек зрения, а вопрос, тесно связанный с фундаментальными основами всей современной физики вообще.