Стивен Маран - Астрономия для "чайников"

• Название: Астрономия для "чайников"
• Автор: Стивен Маран
• Издательство: Диалектика
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2004
• ISBN: 5-8459-0612-1

В этой книге в простой и доступной форме излагаются основы астрономических знаний. Вы совершите увлекательное путешествие по Вселенной и узнаете, как определять планеты и звезды, как исследовать солнечную систему, Млечный Путь и Вселенную за его пределами, что такое Большой Взрыв, квазары, антиматерия и многое другое, как присоединиться к Программе поиска внеземного разума (SETI). Вам станет понятнее смысл современных исследований Космоса. Вы также узнаете, с чего начать при наблюдении неба и какое оборудование для этого необходимо.

Книга предназначена для широкого круга читателей.

---

Как оказалось, теория Большого Взрыва успешно объясняет явления, наблюдаемые в космосе, но остается только отправной точкой для изучения начального этапа развития Вселенной. Например, эта теория, несмотря на ее название, не выдвигает никаких гипотез об источнике "космического динамита", который и вызвал Большой Взрыв.

Раздувание Вселенной

Помимо отсутствия указания источника взрыва, у теории Большого Взрыва есть и другие слабые места. Например, она не объясняет, почему районы Вселенной, которые разделяет такое огромное расстояние, что между ними нельзя установить связь, — даже с помощью посланника, путешествующего со скоростью света, — тем не менее, выглядят настолько похожими один на другой.

 В 1980-х годах физик Алан Гут выдвинул теорию раздувания (или инфляции) Вселенной, которая способна объяснить эти загадки. А. Гут предположил, что за крошечную долю секунды после рождения Вселенная испытала скачок колоссального роста. Всего за 10-32 секунды Вселенная расширилась со скоростью гораздо большей, чем когда-либо в последующие примерно 14 миллиардов лет, который прошли с тех пор.

В этот период мощного расширения мельчайшие фрагменты, которые раньше находились в тесном контакте, были разбросаны в далекие уголки Вселенной. А в большом масштабе Космос выглядит везде одинаково, в каком направлении наблюдатель ни направил бы свой телескоп. На самом деле в результате раздувания мелкие участки Космоса превращаются в объемы намного большие, чем земные астрономы когда-либо могли наблюдать. Из этого расширения следует возможность создания вселенных, находящихся далеко за пределами нашей собственной Вселенной. Возможно, существует не одна, а множество вселенных, или мультивселенная (multiverse).

У раздувания есть еще одно свойство. В процессе этого скачкообразного роста происходят захват случайных субатомных колебаний энергии и увеличение их до макроуровня. Благодаря сохранению и усилению этих квантовых колебаний в процессе раздувания создаются участки, немного различающиеся по плотности.

В одних районах, в среднем, содержится больше материи и энергии, чем в других. Это соответствует холодным и горячим температурным уровням космического микроволнового фона (см. предыдущий раздел и рис. 16.1). Со временем гравитация на основе этих различий создала тонкую паутину из скоплений галактик и огромных пустот, из которых состоит Вселенная сегодня.

Рис. 16.1. Светлые и темные пятна на этой карте неба, полученной с помощью спутника СОВЕ (Cosmic Background Explorer — Исследователь космического фона), указывают на горячие и холодные участки космического микроволнового фона

Фотография любезно предоставлена NASA

Нечто из ничего: раздувание и вакуум

По иронии судьбы, энергия, которая питает раздувание, генерируется из ничего: из вакуума. Но по квантовой теории, вакуум — это не значит пустота. Он полон частиц и античастиц, которые постоянно создаются и разрушаются. Подключение к этой энергии, по предположению теоретиков, обеспечило энергией Большой Взрыв и излучение, порожденное вместе с ним.

У вакуума есть еще одно странное свойство. Он может проявлять гравитационную силу отталкивания. Вместо того чтобы притягивать объекты, сила гравитационного отталкивания тянет их в разные стороны. Возможно, именно эта сила отталкивания стала причиной кратковременного, но интенсивного периода раздувания.

Раздувание и форма Вселенной

Процесс раздувания, по крайней мере в самой простой форме, которую можно представить, должен был привести к тому, что Вселенная стала бы плоской. Любая кривизна в космосе была бы вытянутой в этот период быстрого расширения. И мы получили бы знакомую евклидову геометрию на плоскости — вспомните линии и углы, нарисованные на листе бумаге, которые вы учили в средней школе.

Но чтобы Вселенная была плоской, она должна иметь особую плотность, называемую критической плотностью. Если бы плотность Вселенной превысила это критическое значение, гравитационное притяжение стало бы достаточно сильным, чтобы повернуть вспять процесс расширения, и в конце концов это привело бы к коллапсу, сжатию Вселенной, т. е. к тому, что астрономы называют Большим Сжатием (Big Crunch).

Такая Вселенная снова искривилась бы сама в себе, формируя замкнутое пространство конечного объема, такое как поверхность сферы. И космический корабль, летящий по прямой линии по поверхности этой сферы, в конце концов оказался бы в той точке, из которой стартовал. Математики называют это положительной кривизной.

Если бы плотность Вселенной была меньше критического значения, то гравитация не смогла бы преодолеть расширение и Вселенная продолжала бы расширяться вечно. Про такую вселенную говорят, что она имеет отрицательную кривизну; подобный объект имеет форму, напоминающую седло.

Хотя из теории раздувания следует, что Вселенная должна быть плоской, некоторые наблюдения показали, что плотность космической материи составляет только 40 % той, которая необходима для поддержания ее плоской. Если же говорить о массе, то "космическая бухгалтерия" показывает, что ее катастрофически не хватает.

Чтобы Вселенная была плоской, глыб материи — видимой или невидимой (темной) — явно недостаточно. Должна существовать особая форма материи или энергии (согласно выводам Эйнштейна, эти два понятия эквивалентны), заполняющей весь Космос и составляющей недостающие 60 %. Космолог Майкл Тернер из Чикагского университета и сотрудники Национальной лаборатории имени Ферми назвали этот особый компонент темной, или странной энергией (dark, funny energy).

Темная энергия: расширение ускоряется?

Из гипотезы о темной энергии, — если она существует, — следует поразительный вывод. Она тоже может проявлять силу гравитационного отталкивания. Поэтому, вместо того чтобы замедлять расширение с момента Большого Взрыва, Вселенная должна его ускорять.

 Это странное утверждение недавно получило неожиданное обоснование, хотя окончательные выводы, конечно, делать рано. (Более подробную информацию о теории ускорения Вселенной и о других теориях, изложенных в данной главе, можно найти на сайте Калифорнийского университета (UCLA) в Лос-Анджелесе в разделе "Космология: часто задаваемые вопросы" по адресу www.astro.ucla.edu/~wright/cosmology_faq.html.)

Эти новые данные получены на основе наблюдений сверхновых типа Iа в далеких галактиках. (Изображение сверхновой такого типа приведено на цветной вклейке, а прочитать о сверхновых этого и других типов можно в главе 11.)

Все сверхновые достаточно яркие, чтобы их можно было увидеть в далеких галактиках, но у сверхновых типа Iа есть особое свойство. Астрономы считают, что результатом этих взрывов будет одинаковый блеск, как у электрических лампочек известной мощности (раздел "Постоянная Хаббла и возраст Вселенной" ниже в этой главе).

Свету из далекой галактики требуются сотни миллионов лет, чтобы дойти до Земли. Поэтому астрономы, глядящие в телескоп на эту галактику, видят сверхновые, которые взорвались, когда Космос был гораздо моложе, чем сейчас. И если бы Вселенная замедлила свое расширение, то расстояние между Землей и далекой галактикой было бы меньше — и время путешествия света сократилось бы, — чем в случае, если бы Вселенная продолжала расширяться с постоянной скоростью. Так что в случае замедления расширения сверхновая из далекой галактики должна была бы выглядеть немного ярче.

Но две независимые команды астрономов получили прямо противоположный результат: далекие сверхновые кажутся немного более тусклыми, чем ожидалось, как будто их родные галактики оказались дальше, чем выходило по расчетам. Похоже — хотя, конечно, этого нельзя утверждать наверняка, — что Вселенная увеличила скорость своего расширения.

Но у этого открытия есть слабые места. Главное возражение формулируется так: сверхновые типа Iа в далекой галактике могут иметь блеск, отличный от блеска сверхновых, находящихся ближе к нам, — возможно, потому, что они имеют другой химический состав. Если это так, то, быть может, астрономы ошибаются. Они думают, что более тусклый блеск сверхновых означает ускорение расширения Вселенной, в то время как видят просто более далекие сверхновые, блеск которых чуть уступает блеску сверхновых из галактик поближе.

Недавно ученые начали проводить новую серию экспериментов по изучению космического микроволнового фона (см. предыдущий раздел), чтобы проверить полученные результаты. Если Вселенная плоская, то температурные колебания — горячие и холодные пятна в микроволновом фоне — должны соответствовать определенной схеме (рисунку пятен). До сих пор результаты, полученные с помощью наземных и поднимаемых на аэростатах телескопов, свидетельствуют о том, что микроволновой фон действительно имеет такой рисунок.