Стационарная вселенная и Бог

Одно из серьезных возражений против модели Большого взрыва, которое высказывали Хойл, Бонди, Голд и другие сторонники стационарной модели Вселенной, носило, по выражению Хойла, эстетический характер. Любое объяснение внезапного появления Вселенной должно опираться на «неизвестные науке причины»^{179}. Под этим он имел в виду метафизику. Хойл был атеистом, не скрывающим своих убеждений, и даже в 1982 году продолжал нападать на ученых, придерживавшихся теории Большого взрыва, которых к тому моменту было уже большинство, незаслуженно приписывая им религиозные мотивы:

«Меня всегда удивляло то, что, хотя большинство ученых заявляют об отказе от религии, на деле она владеет их сознанием больше, чем сознанием представителей духовенства. Маниакальное неистовство, с которым коллективное сознательное современной науки вцепилось в космологию Большого взрыва, очевидно, следует из глубоко укоренившейся привязанности к первой главе Книги Бытия — религиозный фундаментализм чистой воды»^{180}.

В автобиографии, написанной в 1994 году, он заявляет: «Космология Большого взрыва — это разновидность религиозного фундаментализма»^{181}.

Однако, как мы знаем теперь, модель Большого взрыва одержала победу, в то время как стационарная модель Вселенной канула в небытие — и на то была лучшая причина из всех возможных. Модель Большого взрыва согласовывалась со всеми имеющимися данными, а стационарная модель — нет. Однако Хойл и его коллеги все равно снискали вечную славу, так как теория звездного нуклеосинтеза тоже подтвердилась. Однако она не имеет никакого отношения к стационарной модели Вселенной, и ее успех никак не противоречит модели Большого взрыва.

Возможно, именно из-за своих атеистических взглядов Хойл с предубеждением относился к Большому взрыву и был настроен на поиск другого объяснения синтеза атомных ядер, нежели формирование этих элементов на ранних этапах развития Вселенной. В любом случае сегодня звездный нуклеосинтез стал неотъемлемой частью космологии, первичный же нуклеосинтез обеспечил формирование лишь довольно большого количества сравнительно легких элементов, возместив недостающие звенья звездного нуклеосинтеза. В науке, как и в футболе, не всегда все происходит так, как можно ожидать.

 

Активные галактики

Возможно, самым важным с точки зрения космологии открытием до обнаружения в 1964 году реликтового излучения, о котором мы поговорим в следующей главе, стало наблюдение квазизвездных объектов, теперь широко известных как квазары. В 1960 году радиоастрономия переживала расцвет и было обнаружено около сотни любопытных объектов, излучающих в радиодиапазоне, которые, казалось, имели очень небольшие угловые размеры. Один из них, 3С48, астроном Джон Болтон отождествил с видимым астрономическим объектом. В 1963 году Мартен Шмидт, используя 200-дюймовый телескоп Хейла, установленный в Паломарской обсерватории, нашел источник видимого излучения, соответствующий радиоисточнику 3С273.^{182} На самом деле 3С273 можно увидеть с помощью сравнительно небольших любительских телескопов — он выглядит как обычная звезда, хоть и называется квазизвездным объектом.

Измеряя оптический спектр объекта, Шмидт обнаружил, что спектральные линии водорода смещались со скоростью 47 400 км/с, что составляет 15,8% от скорости света. Если на основании скорости, рассчитанной из красного смещения, определить по закону Хаббла расстояние до 3С273, выяснится, что он находился на расстоянии 2 млрд. световых лет от нас, когда испустил наблюдаемый теперь свет. Заметьте, что сейчас он находится намного дальше, так как Вселенная с тех пор все время расширялась. Это определенно была не отдельная звезда.

По оценке Шмидта, этот объект, судя по расстоянию, рассчитанному по закону Хаббла, должен был быть в 100 раз ярче, чем любая галактика, которую до сих пор отождествляли с радиоисточником, а свет его исходил от ядра размерами менее 3 световых лет в поперечнике. Работая в Паломарской обсерватории и имея на вооружении более серьезное оборудование, чем любительский телескоп, Шмидт также увидел оптический джет (полярный струйный выброс) длиной приблизительно 150 световых лет и связал его с соответствующим радиосигналом. Из этого он сделал вывод, что объект имеет галактические масштабы.

В статье, вышедшей вскоре после публикации работы Шмидта в журнале Nature, Джесси Гринстейн и Томас Мэтьюз сообщили о том, что красное смещение объекта 3С48 соответствует скорости 110200 км/с, то есть 37% от скорости света, из чего следовало, что расстояние до объекта составляет почти 5 млрд. световых лет^{183}.

Некоторое время обсуждались альтернативные объяснения свойств квазаров, что позволяло бы расположить их намного ближе к Земле, но вскоре стало совершенно ясно, что они на самом деле находятся очень далеко и испускают излучение гигантской, беспрецедентной мощности^{184}.

В итоге квазары отнесли к классу астрономических объектов, называемых активными галактиками. Это галактики, светимость которых намного выше, чем светимость обычных галактик, для них характерны крупные спектральные линии, ассоциируемые, как правило, с центральным ядром, а также мощное радио- и рентгеновское излучение. Они зачастую имеют джеты в тысячи световых лет длиной, направленные от центра к периферии. Для них также характерна переменная светимость, которая может за несколько дней измениться в два раза, что весьма необычно для объекта галактических размеров. Из этого следует, что источник невероятной энергии активной галактики сосредоточен на участке всего в несколько световых лет, совсем крошечном по сравнению с размерами галактики, подобной Млечному Пути, которые достигают 100 тыс. световых лет в диаметре. Теперь стало ясно, что эти объекты представляют собой черные дыры сверхвысокой массы. Активные галактики делятся на три подкласса.

1. Сейфертовские галактики. Названы в честь астронома Карла Сейферта, который первым обратил на них внимание в 1943 году. Сейфертовские галактики имеют очень яркое ядро, спектр которого содержит широкие эмиссионные линии водорода, гелия, азота и кислорода. Расширение линий связывают с доплеровским смещением в атомных ядрах газов, движущихся со скоростями 500–4000 км/с.

2. Радиогалактики. Это очень мощные радиоисточники, испускающие гигантские двухлепестковые радиоволновые структуры, как правило, выбрасываемые в противоположные от оптического ядра стороны. Если джет направлен в сторону Земли, так что мы не можем увидеть галактику, такой объект называется блазаром. Объекты, называемые BL Ящерицы, представляют собой подкласс блазаров. Как мы скоро узнаем, блазары посылают в сторону Земли высокоэнергетические гамма-лучи и, возможно, потоки нейтрино.

3. Квазары. Как известно, они представляют собой активные галактики, находящиеся так далеко, что кажутся точечными источниками.

Все галактики, образующие нашу Местную группу, — это типичные галактики. Ближайшая к нам активная галактика, Центавр А, находится на расстоянии 10 млн. световых лет. На самом деле примерно через 2 млрд. лет после Большого взрыва активные галактики преобладали. За 6 млрд. лет их количество уменьшилось — их стало менее 10%^{185}.

Если и существует действительно убедительное свидетельство против стационарной модели Вселенной, то вот оно. Вселенная, которую мы видим, изучая активные галактики, выглядит несколько иначе, чем Вселенная, наполненная более близкими галактиками. Когда галактики только формировались, они проходили через этап развития, известный как яркая фаза, когда их светимость была намного выше, чем у сегодняшних галактик. Эти ранние галактики погибли одна за другой, в то время как сформировались поздние, более спокойные галактики. Это объясняется очень просто. Ранние галактики содержали намного больше звезд-гигантов, чем нынешние. Такие звезды испускают больше света, но живут намного меньше.

 

Пульсары

В 1960 году произошло еще одно неожиданное открытие. В 1967 году Джоселин Белл, аспирантка, работавшая в Кембридже под руководством Энтони Хьюиша, открыла первый пульсар — астрономический объект, испускающий радиоимпульсы с интервалом 1,33 с^{186}. Вскоре было обнаружено множество подобных объектов, некоторые из них пульсировали с периодичностью всего в несколько миллисекунд. В итоге их отождествили с нейтронными звездами.

Нейтронная звезда представляет собой остаток сверхновой, которая потеряла большую часть своей массы, превратившись в сферу очень высокой плотности, состоящую из нейтронов, образовавшихся в ходе гравитационного коллапса. Ее плотность сопоставима с плотностью атомного ядра. Если нейтронная звезда имеет сильное магнитное поле и быстро вращается, она испускает электромагнитные импульсы с короткими промежутками, что мы и можем наблюдать.

Глава 10.
ОТГОЛОСКИ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

Небесные помехи

Из предыдущей главы мы узнали, что, согласно расчетам Ральфа Альфера и Роберта Германа, выполненным в 1949 году, если ранняя Вселенная была настолько горячей и плотной, как того требует модель Большого взрыва, то сейчас ее должно наполнять тепловое излучение, остывшее примерно до 5 К вследствие постоянного расширения Вселенной на протяжении миллиардов лет. Большинство физиков и астрономов тех времен не обратили внимания на эти расчеты. Возможно, они не отнеслись серьезно к теории Большого взрыва, поскольку она не смогла объяснить формирование химических элементов тяжелее гелия, кроме разве что ничтожно малых количеств лития и бериллия.

Либо же они, как, например, Фред Хойл и его сторонники, могли не одобрять выводы религиозных апологетов, в том числе папы, которые утверждали, что модель Большого взрыва является научным подтверждением Божественного сотворения мира.

Этот скептицизм в отношении модели Большого взрыва укрепился еще сильнее, когда теория Хойла, Уильяма Фаулера, Маргарет Бербидж и Джефри Бербиджа, объясняющая формирование более тяжелых элементов в ядрах умирающих звезд, приобрела небывалую популярность. Когда эти звезды истощают все свои запасы водородного топлива, с ними происходит гравитационный коллапс. Условия, необходимые для ядерного синтеза, — сочетание высоких температуры и плотности — существуют в недрах коллапсирующих звезд, однако на раннем этапе развития Вселенной таких условий не было.

Тем не менее идея о существовании так называемого космического фонового, или реликтового, излучения продолжала будоражить умы ученых, очевидно, не знакомых с работой Альфера и Германа. В начале 1960-х физик из Принстонского университета Роберт Дикке занимался исследованием возможности того, что Вселенная циклически претерпевает то Большие взрывы, то Большие сжатия. Эта теория представляет одно из возможных решений космологических уравнений Фридмана. Дикке отметил, что раньше на протяжении текущей фазы колебаний наша Вселенная была значительно горячее, чем сейчас. В этом случае могло образоваться тепловое излучение, которое с тех пор остыло из-за расширения Вселенной.

В 1964 году бывший студент Дикке по имени Джеймс Пиблс рассчитал, что реликтовое излучение должно иметь температуру порядка 10 К, находясь в микроволновом диапазоне.

В Принстоне в то время работали также Питер Ролл и Дэвид Уилкинсон, сконструировавшие радиометр, с помощью которого можно было измерять характеристики излучения с длиной волны 3 см. Так возникла исследовательская группа, занявшаяся поиском реликтового излучения.

Однако тут произошла известная история, описанная, в частности, в бестселлере нобелевского лауреата Стивена Вайнберга «Первые три минуты»^{187}: принстонских физиков совершенно случайно опередили двое ученых из «Лабораторий Белла», расположенных в местечке Холмдел Тауншип, штат Нью-Джерси, всего в 40 милях от Принстона. В 1963 году радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон начали работать на высокочувствительном 7,35-сантиметровом микроволновом приемопередатчике с рупорной антенной, действующей на принципах сверхсовременной криогенной технологии, включающей квантовый СВЧ-усилитель (мазер). Этот прибор изначально предназначался для связи со спутником «Телстар», принадлежащим «Лабораториям Белла». Европейские партнеры «Лабораторий Белла» установили аналогичную систему, и американский прибор выполнял функцию запасного. Однако запасной приемник оказался не нужен, так что Пензиас и Вильсон смогли использовать его для исследований в области радиоастрономии.

Ученые решили попробовать измерить интенсивность излучения нашей Галактики вне ее плоскости, что значит за пределами Млечного Пути. Весной 1964 года они обнаружили избыточные радиопомехи, которые возникали не из-за проблем с антенной или электрическими схемами. Они сделали все, что было в их силах, чтобы исключить возможные источники шума со стороны оборудования, в том числе очистили антенну от «белого диэлектрического вещества», оставленного на ней голубями, после чего сделали вывод, что помехи вызваны внешним источником. Поскольку сигнал шел равномерно со всех сторон, влияние атмосферы Земли или даже всего Млечного Пути можно было исключить.

Радиотехники выражают шум заданного диапазона в температуре черного тела, излучение которого будет давать такой шум. В результате Пензиас и Вильсон получили температуру антенны, равную 3,5 К.

Благодаря быстрому распространению слухов в научной среде две исследовательские группы из Нью-Джерси узнали друг о друге и начали делиться информацией. В 1965 году Пензиас и Вильсон представили данные своих наблюдений в работе, напечатанной в «Астрофизическом журнале» под непритязательным названием «Измерение избыточной температуры антенны при частоте 4080 МГц»^{188}. Что касается трактовки данных, авторы сослались на опубликованную ранее статью Дикке, Пиблса, Ролла и Уилкинсона на ту же тему, озаглавленную «Космическое излучение абсолютно черного тела»^{189}. В1978 году Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию по физике.

Научное сообщество вскоре признало значимость их открытия, которое в конечном счете оказалось одним из важнейших астрономических достижений после открытия красного смещения галактик. Однако, чтобы подтвердить, что наблюдаемые помехи на самом деле являются тепловым излучением, требовалось больше измерений, ведь было обнаружено излучение только одной длины волны. В начале 1966 года Ролл и Уилкинсон сообщили об обнаружении излучения с длиной волны 3,2 см, подтвердив тем самым, что микроволновое излучение где-то рядом. Но требовалось больше данных.

 

Спектр

Планковский спектральный график черного тела при температуре 3 К изображен на рис. 10.1. Заметьте, что его форма отличается от представленной на рис. 6.1. Кроме того, здесь обе оси являются логарифмическими.

Следует отметить несколько фактов: обе группы из Нью-Джерси при расчетах столкнулись с так называемой областью Рэлея — Джинса, которая описана классической волновой теорией, изложенной в главе 5. Чтобы убедиться в том, что они действительно наблюдают излучение черного тела, необходимо было составить график всего спектра. Однако, хотя атмосфера относительно прозрачна для микроволн, она теряет эту прозрачность при смещении в сторону инфракрасного диапазона — как раз когда при 3 К проявляется отклонение от классической волновой теории и спектр схлопывается вследствие квантовых эффектов.

Рис. 10.1. Спектр черного тела при 3К по формуле Планка. Вертикальная ось дана в фотонах на кубический сантиметр объема на сантиметровый интервал длины волны. Линейная часть графика представляет классический спектр Рэлея — Джинса, который резко сужается в четвертом порядке длины волны. Результат измерений Пензиаса — Вильсона соответствует длине волны 7,35 см. Результат измерений Ролла и Уилкинсона при длине волны 3,2 см отмечен на графике ниже. Ни один из них не входит в квантовый диапазон. Авторская иллюстрация

Еще в 1941 году два оптических астронома, Уолтер Адамс и Эндрю Маккеллар, наблюдали расщепление на три части межзвездной линии поглощения, соответствующей молекуле циана (CN). Маккеллар рассчитал, что две из трех линий появляются вследствие какого-то неизвестного возмущения, соответствующего температуре 2,3 К. После открытия реликтового излучения стало понятно, что расщепление вызвало излучение черного тела с длиной волны 0,263 см, что точно соответствует пику планковского спектра, изображенного на рис. 10. 1.^{190}

О Большом взрыве опять вспомнили. Предположительно, ученым удалось обнаружить отголоски взрыва, из которого появилась Вселенная. Разумеется, некоторые все еще сомневались в этом. Фред Хойл и группа его верных последователей — сторонники стационарной модели изо всех сил старались сыграть роль адвокатов дьявола, ведя поиски другого объяснения наблюдаемого излучения. Но все эти попытки делались вслепую, и им недоставало эмпирических подтверждений. Стационарная модель постепенно вышла из доверия, хотя Хойл и Джефри Бербидж продолжали сомневаться в том, что теория Большого взрыва действительно нашла подтверждение. Они требовали еще больше данных.