Куда несемся?

Говоря о галактиках, нельзя утаить одно из фундаментальных явлений вселенной - закон всеобщего разбегания галактик. Эта удивительная закономерность была открыта на основании эффекта Допплера. Вспомните традиционный рисунок из учебника физики. На платформе стоит одинокий пассажир. Мимо него мчится паровоз с огромной коптящей трубой. Из гудка вырывается облако пара. Пассажир слышит резкое понижение тона гудка при прохождении паровоза мимо него. Этот же эффект изменения частоты колебаний при движении их источника справедлив и для световых волн.

Рис. 8

Напомним опыт И. Ньютона. Обыкновенный белый свет, проходя через стеклянную призму, разлагается на отдельные цвета, составляющие спектр. Сильней всего преломляются красные лучи, слабее всего - фиолетовые. Между ними расположатся оранжевый, желтый, зеленый, голубой и синий цвета. При изучении спектра различных галактик был обнаружен потрясающий факт. Спектры оказались сдвинутыми по отношению к земному в сторону красного цвета. Величина этого сдвига Δ неодинакова у различных галактик. Сдвиг не наблюдался только у нескольких самых близких к нам галактик.

После ожесточенных дискуссий и тщательных измерений было найдено объяснение: это проявление эффекта Допплера. Галактики удаляются от нас, и это понижает частоту излучаемых ими световых колебаний. Поэтому спектр сдвигается в красную сторону. Если бы они приближались к нам (об этой "страшной" перспективе мы поговорим позже), то спектры сдвигались бы в фиолетовую сторону.

Измерение величины Δ привело ко второму изумительному открытию. Чем больше расстояние r до галактики, тем больше смещен ее спектр в красную сторону.

Установлена прямая пропорциональность между расстоянием до галактики r и скоростью ее удаления υ. Если одна из галактик находится от нас в 1000 раз дальше, чем другая, то и скорость ее удаления от нас в 1000 раз больше!

Следовательно, подсчет скорости удаления любой галактики элементарно прост. Надо лишь умножить расстояние между галактиками на некий постоянный для всех галактик коэффициент, и мы получим скорость их разбегания. Этот коэффициент, определение которого явилось очень сложной задачей и потребовало ряда существенных коррекций, обозначают через H - первая буква фамилии американского астронома Эдвина Хаббла (Hubble). Согласитесь, что это не слишком щедрая дань ученому, открывшему в 1929 году закон разбегания галактик. Поэтому лучше, когда H называют постоянной Хаббла.

Из закона разбегания галактик следует, что когда-то (когда именно, это зависит от значения постоянной Хаббла H) было начало этого разбегания.

По одной из самых ходовых гипотез, плазменное облако с невероятно высокой температурой, плотностью и излучением, породившее все наблюдаемые галактики, было некогда сосредоточено в относительно малом объеме (мы еще вернемся и к облаку и к этому "некогда"). Взрыв взрывов этого облака и дал наблюдаемое сегодня, разбегание галактик.

Так эффект понижения тона гудка удаляющегося паровоза привел нас к одной из гипотез образования вселенной!

Попробуем определить момент этого исторического взрыва.

Не останавливаясь на очень любопытных методах определения постоянной Хаббла и истории ее измерения, приведем ее современное уточненное значение:

Здесь мпс сокращенное обозначение мегапарсека. Один парсек (пс) составляет почти 3,26 светового года, а один мегапарсек (мпс) равен 10⁶пс.

Это значит, что если взять, например, расстояния между галактиками r=1 мпс, то скорость их удаления друг от друга составит:

Есть основания считать, что с момента взрывного образования галактик скорость V не претерпевала заметных изменений. Это дает ответ на вопрос: "Когда произошел взрыв?"

Рис. 9

Он непосредственно следует из приведенного примера.

Две галактики разбежались друг от друга с момента взрыва на расстояние в один мегапарсек. Скорость их разбегания постоянна и равна 75 километрам в секунду. Разделив пройденный путь на скорость разбегания, мы получим время, в течение которого галактики разбегаются, - 15 миллиардов лет (15·10⁹). Значит, взрыв произошел 15·10⁹ лет тому назад.

До взрыва степень сжатия материи и ее температура достигли колоссальных значений. Это состояние материи получило название "горячей вселенной".

Вычисленное нами время существования Метагалактики - 15·10⁹ лет - находит удивительное подтверждение на нашей планете. Процесс распада радиоактивного урана и превращения его в свинец является теми природными часами, которые могут отсчитывать такие колоссальные отрезки времени. Оценка содержания урана и свинца в минералах позволила оценить возраст Земли. Полученное число меньше, но того же порядка, что и возраст Метагалактики.

Бег галактик от земного наблюдателя отнюдь не значит, что мы занимаем какое-то центральное положение во вселенной, в Метагалактике. Это можно наглядно пояснить, надувая резиновый шар. Наблюдатель в любой точке на этом шаре будет видеть, что с повышением давления все остальные точки шара от него удаляются, и чем дальше они от него отстоят, тем быстрее удаляются.

Кроме рассмотренного общего движения галактик, каждая из них имеет еще свое индивидуальное: от нас, к нам и в любом другом направлении. Из-за этого некоторые близкие галактики приближаются к нам, а не удаляются. У них индивидуальная скорость, направленная к нам, больше скорости разбегания (которая на малых расстояниях мала). Так, туманность Андромеды приближается к нашей Галактике со скоростью 143 километра в секунду.

Почему явление взаимного удаления галактик так взбудораживает при первом знакомстве? Тут два фактора. Первый - мы знаем от наших далеких предков, что видимая нами картина неба практически та же, что и при постройке египетских пирамид или при битвах Спартака. Второй - скорость разбегания по земным масштабам велика, она в десятки раз больше скорости ракет, преодолевающих могучую силу земного тяготения.. Это и создает замешательство - галактики быстро разбегаются, и тем не менее картина неба останется такой, какой была давным-давно! Ларчик открывается просто. Наше земное мышление не всегда управляется с потрясающими расстояниями в Метагалактике. На этой сверхгигантской арене разбегание галактик столь мизерно меняет расстояние между ними на малом интервале существования нашей цивилизации, что прошедший ряд поколений не имел возможности заметить эти изменения.

Активный читатель этой книжки (верю, что вероятность такого события заметно больше нуля) легко может убедиться в этом, преодолев элементарные расчеты.

Согласно взрывной теории все галактики приблизительно сохраняют ту скорость, которую они получили в момент взрыва или в начале своего разбегания (фактически она замедляется силами взаимного притяжения). Галактики, получившие максимальную скорость в момент вселенского катаклизма, наиболее удалены от нас. Так как в среднем галактики равномерно распределены в окружающем нас пространстве, то они образуют непрерывно расширяющуюся сферу.

Самое удивительное, читатель, что мы с вами легко можем определить радиус этого невообразимо гигантского шара. В самом деле, скорость самой "быстроногой" (может - "быстрокрылой") из галактик принципиально не могла превысить скорость света. Следовательно, для предельной оценки мы и возьмем эту скорость. Тогда, умножая ее на время, прошедшее с момента катаклизма, мы получим искомую величину. Ее называют волнующе кратко - радиус мира, который в этом случае будет равен 13 миллиардам световых лет, или 12,3·10²² километров.

Вот с каких предельно удаленных расстояний можно ожидать поступления световых и радиоизлучений в Метагалактике!

Теория происхождения вселенной от некогда произошедшего разового взрыва является далеко не единственной. С ней конкурирует теория "пульсирующей" вселенной, оперирующая понятием кривизны пространства и базирующаяся на общей теории относительности. В ней предполагается равномерное распределение масс в пространстве. Анализ сил тяготения в такой системе приводит к выводу, что вселенная не может находиться в "статическом" состоянии. Она должна либо расширяться, либо сжиматься. Получаемая модель допускает чередование этих фаз. В настоящее время вселенная переживает фазу расширения.

Но как ни манят эти теории, увлекающие часто сильнее, чем приключения Шерлока Холмса и майора Пронина, вместе взятые, мы вынуждены поставить на этом точку.

Будем считать, что закончили беглое знакомство с общей картиной мира и можем перейти к интересующим нас частностям в этой все расширяющейся сфере. Наш путь лежит к тем звездам, у которых могут быть планеты с разумными существами.

Но как их выделить из общей массы звезд? Чтобы подступиться к этой задаче, необходимо вникнуть в "личную жизнь" звезд. Это мы и сделаем.