Гипотеза «Большого взрыва»

Работы Фридмана показали, как с течением времени должна эволюционировать Вселенная. В частности, они предсказали необходимость существования в прошлом «сингулярного состояния» — вещества огромной плотности, а значит, и необходимость какой-то причины, побудившей сверхплотное вещество начать расширяться. Это было теоретическим открытием взрывающейся Вселенной. Заметим, что открытие было сделано без наличия каких-либо идей о самом взрыве, о причине начала расширения Вселенной. Никаких намеков на подобные идеи ни в теории, ни в эксперименте не существовало. Но уже из того факта, что Вселенная однородна, следовало, что из-за тяготения материи она нестационарна, а значит, в прошлом должна была быть причина начала расширения — причина Большого взрыва.

Наблюдательное открытие взрывающейся Вселенной было сделано американским астрономом Э. Хабблом в 1929 г. Далекие звездные системы — галактики и их скопления — являются наибольшими известными астрономам структурными единицами Вселенной. Они наблюдаются с огромных расстояний, и именно изучение их движений дослужило наблюдательной основой исследования кинематики Вселенной. Для далеких объектов можно измерять скорость удаления или приближения, пользуясь эффектом Доплера.

Измеряя смещение спектральных линий в спектрах небесных тел, астрономы определяют их приближение и удаление, т. е. измеряют компоненту скорости, направленную по лучу зрения. Поэтому скорости, определяемые по спектральным измерениям, носят название лучевых скоростей. Пионером измерения лучевых скоростей у галактик был в начале прошлого века американский астрофизик В. Слайфер. В 1924 г. К. Вирц обнаружил, что, чем меньше угловой диаметр галактики, тем в среднем больше ее скорость удаления, хотя полученная зависимость и была очень нечеткая. Вирц посчитал, что эта зависимость отражает зависимость между скоростью и расстоянием и поэтому свидетельствует в пользу космологической модели де Ситтера. О работе Фридмана К. Вирц, по-видимому, ничего не знал.

Однако известный шведский астроном К. Лундмарк и другие астрономы, повторив работу Вирца, не подтвердили его результаты. Теперь мы понимаем, что противоречия были связаны с тем, что линейные размеры галактик весьма различны, и поэтому их видимые угловые размеры не указывают прямо на расстояние от нас: галактика может быть видима маленькой не только потому, что она расположена далеко, но и потому, что она в действительности мала по размерам.

Для решения вопроса нужны были надежные методы определения расстояний до галактик. И такие методы были созданы. Впервые это удалось сделать с помощью пульсирующих звезд, меняющих свою яркость,— цефеид.

Эти переменные звезды обладают замечательной особенностью. Количество света, излучаемое цефеидой,— ее светимость и период изменения светимости вследствие пульсации тесно связаны. Зная период, можно вычислить светимость. А это позволяет вычислять расстояние до цефеиды. Действительно, измерив период пульсаций по наблюдениям изменения блеска, определяем светимость цефеиды. Затем измеряется видимый блеск звезды. Видимый блеск обратно пропорционален квадрату расстояния до цефеиды. Сравнение видимого блеска со светимостью позволяет найти расстояние до цефеиды.

Цефеиды были открыты в других галактиках. Расстояния до этих звезд, а значит, и до галактик, в которых они находятся, оказались гораздо большими, чем размер нашей собственной Галактики. Тем самым было окончательно установлено, что галактики — это далекие звездные системы, подобные нашей.

Для установления расстояний до галактик, помимо цефеид, уже в первых работах применялись и другие методы. Одним из таких методов является использование ярчайших звезд в галактике как индикатора расстояний.

Ярчайшие звезды, по-видимому, имеют одинаковую светимость и в нашей Галактике, и в других галактиках, и по этой «стандартной» величине можно определять расстояние. Но ярчайшие звезды имеют большую светимость, чем цефеиды, могут быть видны с больших расстояний и являются, таким образом, более мощным индикатором расстояний. Расстояния до целого ряда галактик были определены Э. Хабблом.

Естественно, астрономы пытались проверить закон Хаббла для больших расстояний. Для этого нужно было иметь индикаторы расстояний гораздо более мощные, чем переменные звезды — цефеиды или ярчайшие звезды, рассмотренные выше.

В 1936 г. Хаббл предложил использовать в качестве таких индикаторов целые галактики. Он исходил из следующих соображений. Индикатор расстояний должен обладать определенной фиксированной светимостью. Тогда видимый блеск будет служить указателем расстояния. Отдельные галактики не могут служить индикатором расстояний, так как светимость отдельных галактик весьма различна. Например, наша Галактика излучает энергия как десять миллиардов солнц. Имеются галактики, которые светят в сотни раз слабее, но есть и такие, которые светят в десятки раз сильнее. Предположим, что есть верхняя граница полной светимости отдельных галактик. Тогда в богатых скоплениях галактик, содержащих тысячи членов, ярчайшая галактика с очень большой вероятностью должна иметь светимость около этого верхнего предела, т. е. иметь стандартную светимость, одинаковую для любого большого скопления. Ярчайшие галактики в больших скоплении являются, следовательно, эталонами, подобными цефеидам. Видимый блеск этих галактик можно использовать как указатель расстояний. Чем дальше расстояние, тем слабее блеск.

Итак, в космологии исследуется зависимость звездная величина т — красное смещение z (точнее, log z) для ярчайших галактик скоплений. Такая зависимость найдена, график ее прямолинеен, и это надежно подтверждает открытый Хабблом закон расширения Вселенной.

Непустая» Вселенная

Вернемся к проблеме критической плотности. Каково же значение критической плотности? Сформулируем важнейшую задачу наблюдательной космологии: какова средняя плотность всех видов физической материи во Вселенной? И самое главное: больше ли эта средняя плотность критического значения или меньше?

Таким образом, речь идет именно плотности всех видов физической материи. Дело в том, что у астрономов есть веские основания считать, что, помимо видимых звезд и газовых туманностей, собранных в галактики, вокруг галактик и в пространстве между ними есть много невидимой или очень трудно наблюдаемой материи. Так как тяготение создается всеми видами материи, то учет невидимой материи в общей плотности вещества совершенно необходим для решения вопроса о будущей судьбе Вселенной.

Еще лет двадцать назад астрономы считали, что Вселенная в самых больших масштабах — это именно мир галактик и их систем. Изучая нашу звездную систему, Галактику, они установили, что в пределах ее видимых границ почти все вещество сосредоточено в звездах. Всего Галактика содержит ~200 миллиардов звезд. Газ и пыль между звездами дают к массе звезд совершенно незначительную добавку (около 2%).

Казалось, что и другие галактики в основном состоят из светящихся звезд, а пространство между галактиками практически пусто. Галактики собраны в группы и скопления разных масштабов, образуя ячеисто-сетчатую крупномасштабную структуру Вселенной. Размер типичных пустых областей, в которых галактик мало или совсем нет, около 30—40 Мпк. Расстояния между крупнейшими сверхскоплениями галактик, находящимися в узлах ячеистой структуры, могут быть 100—300 Мпк. В еще больших масштабах светящаяся материя в виде галактик и их скоплений распределена примерно однородно. Такова общая величественная картина распределения в пространстве звездных островов — галактик.

Как можно определить усредненную по столь большим масштабам среднюю плотность вещества, которая нужна для решения космологической проблемы?

Если вся материя действительно сосредоточена в светящихся галактиках, то для этого надо подсчитать общее число галактик в достаточно большом объеме, затем определить массу средней галактики. Помножив эти числа друг на друга, мы получим полную массу вещества в данном объеме, а поделив ее на этот объем, получим интересующую нас среднюю плотность.

Так астрономы и поступали. При этом, прежде всего, необходимо было найти массы отдельных галактик. Надежное определение усредненной по большим объемам плотности вещества, входящего в галактики, было сделано около 30 лет назад голландским астрономом Я. Оортом. Многочисленные работы в этом направлении, проделанные с тех пор, подтвердили его результат. Если во Вселенной нет заметных количеств материи между галактиками, которая почему-либо не видна, то и Вселенная всегда будет расширяться.

Однако, есть основания считать, что наблюдаемые нами галактики еще далеко не все, что имеется во Вселенной. Более того, невидимая масса, вероятно, составляет основную часть Вселенной. Таким образом, весьма возможно, что непосредственно наблюдаемые в телескопы великолепные узоры гигантских галактических миров — это лишь малая видимая часть истинной невидимой структуры мира. Невидимые массы Вселенной получили название скрытой массы.

Скрытая масса

Существующие во Вселенной тела и скопления вещества астрономы обнаруживают в основном по их излучению. Это может быть видимый спектр или другие виды электромагнитных волн — всё равно имеются признаки излучения, позволяющие их регистрировать. Именно таким способом установлено, что большая часть видимого вещества Вселенной сосредоточена в звёздах. Кроме них имеются разреженный межзвёздный галактический газ, пыль, тела планетного типа вблизи звёзд.

Однако, не от всех космических объектов можно принять излучение. Например, с Земли нельзя рассмотреть массивные, но очень маленькие элементы двойных систем. А чёрные дыры принципиально не отпускают никакое излучение. Наличие подобных тел удаётся установить только по их гравитационному воздействию на соседей. Применение такого косвенного метода привело учёных к убеждению, что на самом деле Во Вселенной содержится гораздо больше вещества, чем то, которое доступно прямым наблюдениям.

Как возникли подозрения о существования скрытой массы? Важнейшие наблюдательные данные об этом сводятся к следующему. С помощью радиотелескопов наблюдаются движения спутников отдельных галактик (ими являются маленькие галактики) или движения газовых облаков. Эти объекты часто движутся на расстояниях далеко за видимой границей галактики (очерченной массой светящихся звезд), где, казалось бы, никакой материи в заметных количествах уже нет. Тем не менее, вычисленная по этим наблюдениям масса той или иной галактики, вокруг которой наблюдались такие движения, оказывалась иногда раз в десять больше, чем определенная по движению звезд на видимой границе галактики. Это значит, что вокруг видимого тела галактики имеется какая-то невидимая корона, содержащая огромные массы. Тяготение этих масс никак не сказывается на движения звезд глубоко внутри короны на краю видимой галактики, так как мы знаем, что сферическая оболочка внутри себя тяготения не создает, но эти массы влияют своим тяготением на движение тел на окраинах короны и вне ее.

Еще большие скрытые массы имеются в межгалактическом пространстве в скоплениях галактик. В таких скоплениях галактики движутся хаотически. Поэтому астрофизики сначала измеряют скорости отдельных галактик, а, затем, после нахождения средней скорости, вычисляют полную массу скопления, создающую общее поле тяготения, которое разгоняет движущиеся в нем галактики. Разумеется, эта масса включает все вещество — и видимое, и невидимое. И вот оказывается, что иногда полная масса во многие десятки раз превышает суммарную светящуюся массу всех галактик в скоплении.

Впервые о скрытой массе заговорили в 30-х гг. ХХ в. Швейцарский астроном Фриц Цвикки, измеряя по красному смещению скорости галактик из скопления в созвездии Волосы Вероники, получил неожиданный результат. Лучевые скорости этих галактик оказались слишком высокими и не соответствовали общей массе скопления, определённой по числу наблюдаемых галактик (т. е. по видимому веществу). Тогда Цвикки выдвинул смелую гипотезу, что в скоплении присутствует невидимая, скрытая масса, она-то и является причиной больших скоростей галактик. Но самым удивительным было то, что, согласно расчётам, эта невидимая масса во много раз превышала массу видимую. Та же картина наблюдалась и во многих других скоплениях галактик

С тех пор гипотеза о существовании невидимого вещества неоднократно привлекалась для интерпретации астрономических наблюдений, и прежде всего, для объяснения особенностей движения звёзд и газовых облаков по орбитам в дисках галактик. Если бы основная масса галактики была сосредоточена в звёздах, их орбитальные скорости уменьшались бы по мере удаления от центра. В действительности они не только не уменьшаются, но в ряде случаев даже возрастают. То же самое происходит и в нашей Галактике. Чтобы объяснить это явление, нужно предположить, что далеко за пределами видимых границ галактики простирается несветящаяся, тёмная материя. Обычно её называют темным гало. С его учётом масса гигантских спиральных систем типа Млечного Пути оказывается равной примерно 1012 массам Солнца, тогда как вещества, заключённого в звёздах, в несколько раз меньше.

В 70-х гг. методами рентгеновской астрономии был открыт горячий межгалактический газ, особенно заметный в скоплениях галактик. Его температура достигает десятков миллионов градусов. По значению температуры можно оценить характеристики гравитационного поля, в котором находится газ, а следовательно, и полную массу вещества, являющегося источником этого поля. Уже первые результаты рентгеновских наблюдений горячего газа в скоплениях галактик подтвердили присутствие в них скрытой массы, не входящей в состав отдельных галактик.

Ещё одно прямое указание на скрытую массу удалось получить при изучении движения Местной группы галактик. (В Местную группу входят наша Галактика и её ближайшие соседи.) В середине 80-х гг. по результатам очень успешной миссии космической инфракрасной обсерватории HPAC (IRAS) было установлено, что движение Местной группы в пространстве направлено в ту сторону, где сосредоточено большое количество галактик. В этом нет ничего удивительного, ведь по закону тяготения большая масса должна притягивать окружающие группы галактик. Но измеренная скорость движения оказалась слишком высокой (более 600км/с), чтобы её можно было объяснить гравитационным действием наблюдаемых галактик. Это свидетельствовало о присутствии скрытой массы между галактиками.

Наконец, наблюдения слабых галактик, проведённые с помощью чувствительных детекторов излучения – ПЗС-матриц, — позволили не просто подтвердить наличие скрытой массы, но и достаточно точно обозначить ее распределение в скоплениях галактик. Этот метод называют гравитационным линзированием, идею которого впервые выдвинул Цвикки еще в 1937 г. Метод этот основан на том, что гравитация скопления галактик действует как собирающая линза. Она позволяет получить изображение слабых галактик (как правило, 22-28 звездной величины), находящихся далеко за самим скоплением. При этом изображения самих галактик становятся ярче и искажаются, вытягиваясь в дуги разной длины с центром, совпадающим с центром скопления. Анализируя такие изображения, можно восстановить распределение плотности в «линзе», т. е. в скоплении галактик. Оказалось, что создающая тяготение материя простирается далеко за пределы видимой части скопления.

Существование скрытой массы кардинально меняет оценку общей усредненной плотности всех масс Вселенной. Возможно, есть скрытая масса и между скоплениями галактик. Ее обнаруживать особенно трудно. Но если это так, то не исключено, что полная средняя плотность равна критической плотности или даже несколько больше. Таким образом, пока нельзя сказать, больше ли истинная плотность всех видов вещества во Вселенной, чем критическая плотность, или нет. Значит, мы пока не можем сказать определенно, будет ли Вселенная расширяться неограниченно или же в будущем она начнет сжиматься.

Что представляет собой скрытая масса? Надо прямо сказать, что физическая природа скрытой массы пока неясна. Частично эта масса может быть обусловлена огромным числом слабо светящихся и поэтому практически невидимых издали звезд или других несветящихся небесных тел. Однако вероятнее, что скрытая масса является своеобразным реликтом тех физических процессов, которые протекали в первые мгновения расширения Вселенной. Скрытая масса, возможно, является совокупностью большого числа элементарных частиц, обладающих массой покоя и слабовзаимодействующих с обычным веществом. Теория предсказывает возможность существования таких частиц. Ими могут быть, например, нейтрино, если они обладают массой покоя.

Какова же природа невидимого вещества? Возможно, скрытая масса создается не открытыми пока элементарными частицами. Дело в том что, согласно современной теории горячей Вселенной, максимально возможная масса барионов (протонов и нейтронов — частиц, из которых состоят атомные ядра всех химических элементов) не превышает 10% от массы, необходимой для критической плотности, т. е. той плотности, какой теоритически должна обладать Вселенная. Поэтому остаётся либо предположить, что во Вселенной помимо обычной барионной (атомной) массы содержится ещё очень много вещества, не состоящего из атомов, либо считать, что пустое пространство (вакуум) обладает такими свойствами, что вносит свой вклад в полную плотность материи. В принципе небарионная скрытая масса может быть заключена в легких элементарных частицах (с массой в миллионы раз меньше массы покоя электрона), существование которых следует их современной физической теории элементарных частиц. Поиски таких частиц усиленно ведутся на самых мощных ускорителях, но пока не увенчались успехом.

Однако, часть скрытой массы возможно заключается в телах, состоящих из обычных атомов. Наблюдая светящееся вещество, можно сделать вывод, что звезды, содержащие основную часть видимой материи, - это лишь небольшая часть даже от барионного вещества. Значит во Вселенной наверняка много невидимых и не открытых пока объектов барионной природы, скорее всего газовых тел с массой, промежуточной между массой звезд и небольших планет (их называют «темными» карликами). Теоретически такими объектами могут быть черные дыры массой около ста солнечных. Возможно, что эти невидимые объекты — часть вещества, оставшаяся от эпохи образования галактик, или остатки эволюции звёзд, существовавших ещё до рождения галактик. Хотя таких тёмных тел вряд ли хватит для объяснения парадокса скрытой массы, их поиски активно проводятся. Перспективными в этом отношении являются работы по гравитационному микролинзированию.

Исследуя эффекты гравитационного микролинзирования миллионов звёзд в Магеллановых Облаках, астрономы зарегистрировали несколько случаев характерного изменения яркости далёких слабых звёзд. Это может быть связано с существованием тёмных объектов в гало нашей Галактики. Однако из наблюдений пока трудно окончательно определить, какую часть массы невидимого вещества они составляют.

Заключение

Космология быстро развивается. Много новых работ в этой области появляется в открытой печати в последние годы. Но рассказать обо всех невозможно, каждая из них – тема для отдельной работы.

Сегодня можно достаточно уверенно заключить: Вселенная в основном заполнена невидимым веществом. Оно образует протяженные гало галактик и заполняет межгалактическое пространство, концентрируясь в скоплениях галактик.

Итак, попытки разобраться, из чего же состоит Вселенная, привели в наше время к весьма любопытной ситуации. В начале ХХI столетия обнаруживается, что все изучавшиеся до сих пор астрономические объекты составляют лишь незначительную долю космического вещества. Это настоящий вызов человеческому знанию. Остаётся надеяться, что новейшие методы астрономии, такие, как метод гравитационного микролинзирования, позволят в будущем пролить свет на увлекательную и загадочную проблему невидимого вещества в нашей Галактике и во Вселенной.

Список литературы

Девис П. Суперсила: Пер. с англ./ Под ред. И с предисл. Е.М. Лейкина. – М.: Мир, 1989.

Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма идей в познании природы (частицы, поля, заряды). – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.

Чирков Ю.Г. Охота за кварками. – М.: Мол. Гвардия, 1985.

Визгин В.П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование). – М.: Наука, 1981.

Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. – М.: Наука, 1990.

Хокинг С. От Большого Взрыва до черных дыр. – М.: Мир,1990.