Александр Шаров - Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла

• Название: Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла
• Автор: Александр Шаров
• Издательство: Наука
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1989
• ISBN: 5-02-014076-7

Описание жизни и деятельности великого ученого нашего столетия  Эдвина-Пауэла Хаббла (1889—1953), автора замечательных открытий, определивших лицо современной астрономии. Его исследования утвердили концепцию островной Вселенной, состоящей из звездных систем-галактик, подобных Галактике, в которой мы живем. Главным достижением Хаббла явилось открытие закона красного смещения линий в спектрах далеких галактик, свидетельствующего о расширении Вселенной. Рассказывается также об исследованиях, продолживших дело Хаббла: о теории горячей Вселенной, о физике процессов в расширяющейся Вселенной, открытии реликтового излучения, о замыслах новых наблюдений для уточнения картины строения и эволюции Вселенной.

При написании биографии ученого использовался ряд материалов, никогда ранее не публиковавшихся.

---

Угловое разрешение радиоинтерферометрической системы, а значит, и возможность измерения параллаксов, определяется отношением длины электромагнитной волны, на которой работает система, к длине базы — расстоянию, на которое разносятся радиотелескопы, используемые для построения интерферометрической картины. Если космические радиотелескопы будут работать на длине волны один сантиметр, а расстояния между ними составят около 300 миллионов километров (диаметр земной орбиты), то угловое разрешение достигнет 10-10 угловой секунды. Этого достаточно для измерений расстояний вплоть до нескольких миллиардов парсеков, т. е. до границ наблюдаемой части Вселенной!

Конечно, до осуществления подобного проекта еще очень далеко и. придется преодолеть много трудностей как технических, так и принципиальных. Прежде всего необходима одновременная работа минимум трех радиотелескопов (один из них может быть на Земле), снабженных приспособлениями для чрезвычайно точного определения расстояний между ними и измерения их относительных скоростей. Кроме того, необходимо найти в удаленных галактиках объекты, достаточно мощно излучающие в радиодиапазоне и очень компактные — в поперечнике меньше диаметра земной орбиты. Наконец, придется учитывать многочисленные источники возможных отклонений в распространении радиолучей в ходе их длительного путешествия к наблюдателю.

Первые шаги в создании космических радиотелескопов уже сделаны. В 1976 г. на советской станции «Салют-6» работал космический радиотелескоп

В 1986 г. американские исследователи осуществили интерферометрическую систему с использованием радиотелескопа на спутнике. Важнейшие исследования предполагаются в ближайшем будущем.

В Советском Союзе в Институте космических исследований будет осуществляться проект «Радиоастрон». Он предполагает создание в ближайшие двадцать лет все более сложных и многоплановых космических радиотелескопов.

Эта программа предусматривает запуск в ближайшее десятилетие космического радиотелескопа с диаметром антенны 10 метров, работающего на частотах от 0,3 до 22 гигагерц. Вместе с наземными радиотелескопами он составит интерферометрическую систему с длиной базы до миллиона километров. В последующее пятилетие намечено создание такого же инструмента, работающего и на миллиметровых длинах радиоволн — на частотах от 22 до 230 гигагерц. Наконец, еще в дальнейшие пять лет планируется создание космического радиотелескопа с антенной в 30 метров диаметром и работающего на частотах от 1,7 до 230 гигагерц.

Осуществление этой программы явится серьезным шагом к воплощению заманчивой мечты космологов — проведению триангуляции всей видимой части Вселенной, подобно тому, как в свое время была осуществлена триангуляция земного шара. Аналогично тому, как на Земле триангуляция позволила измерить расстояние между удаленными точками, создать точные карты, определить кривизну земной поверхности, найти размер нашей планеты, так в будущем и в космосе триангуляция приведет к созданию точной трехмерной карты окружающей Вселенной, и к измерению кривизны пространства. А это позволит в свою очередь уточнить историю Вселенной и с большей уверенностью говорить о ее будущем.

Проект «Радиоастрон» по мере своего осуществления позволит решить и целый ряд других задач наблюдательной космологии.

Уже первые шаги реализации этого проекта создадут возможность точно измерять угловые размеры разлетающихся оболочек сверхновых звезд, а значит и определять расстояния до галактик, где происходят эти взрывы, с точностью до 10% в случае близких галактик.

Н. С. Кардашев в 1986 г. отметил, что проект «Радиоастрон» позволит определить также собственные движения галактик — угловые перемещения на небесной сфере, вызванные их случайными пространственными скоростями в сотни, а может быть и тысячи километров в секунду. Такие случайные скорости есть у галактик помимо их систематического удаления из-за расширения Вселенной. Эти наблюдения не только сделают впервые возможным построение полной карты крупномасштабных движений вещества во Вселенной, но и откроют путь к определению средних статистических параллаксов целых совокупностей галактик так же, как это делается в звездной астрономии при определении расстояний до достаточно далеких звезд нашей Галактики.

Как видим, работы здесь еще очень много и, что не менее важно, имеются четкие планы ее проведения.

Открытие горячей Вселенной

 Теоретическое предсказание Фридманом нестационарности Вселенной и открытие Хабблом расширения Вселенной явились первыми шагами длинного и трудного пути, ведущего к пониманию того, как Вселенная взорвалась, что означает этот необычный взрыв, произошедший около 15 миллиардов лет назад, и как устроена Вселенная сегодня.

Новым большим открытием на этом пути стало открытие горячей Вселенной.

На разных этапах расширения Вселенной в ней протекали различные физические процессы. В начале космологического расширения плотность вещества была огромной. Тогда происходили процессы, совсем непохожие на те, что мы наблюдаем сегодня. Они определили сегодняшнее состояние мира и сделали возможным, в частности, существование жизни. Можем ли мы что-либо сказать о процессах, происходивших буквально в первые мгновения расширения? Оказывается можем. События первых минут с начала расширения мира имели столь важные последствия, оставили столь явные «следы», что по ним можно восстановить их характер.

Важнейшими из них были ядерные реакции, происходившие при большой плотности в первые минуты расширения. Следствием их явилось образование легких химических элементов. Расчет ядерных реакций дает возможность предсказать химический состав вещества, из которого впоследствии формировались небесные тела.

Есть две принципиально разные возможности для условий, в которых протекало начало расширения вещества Вселенной: вещество могло быть либо холодным, либо горячим. Следствия ядерных реакций при этом в корне отличаются друг от друга. Исторически первой еще в 30-е годы была рассмотрена возможность холодного начала.

Ядерная физика тогда только начинала развиваться. В первых предположениях считалось, что все вещество Вселенной существовало сначала в виде холодных нейтронов. Позже выяснилось, что такое предположение приводит к противоречию с наблюдениями. Дело заключается в следующем. Нейтрон в свободном состоянии распадается в среднем за 15 минут после возникновения, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино. В расширяющейся Вселенной возникшие протоны стали бы соединяться с еще оставшимися нейтронами, образуя ядра атомов дейтерия. Дальше цепочка ядерных реакций привела бы к образованию ядер атомов гелия. Более сложные атомные ядра, как показывают расчеты, при этом практически не возникают. В результате все вещество превратилось бы в гелий. Такой вывод находится в резком противоречии с наблюдениями. Известно, что большая часть вещества Вселенной состоит из водорода, а не из гелия.

Наблюдения распространенности химических элементов в природе отвергают гипотезу о начале расширения вещества в виде холодных нейтронов.

В 1948 г. в США была опубликована работа Г. Гамова, а затем и другие его работы и работы его коллег Р. Альфера и Р. Германа, в которых предлагался «горячий» вариант начальных стадий расширения Вселенной. Основная цель авторов гипотезы горячей Вселенной заключалась в том, чтобы рассматривая ядерные реакции в горячем веществе в начале космологического расширения, получить наблюдаемое в настоящее время соотношение между количеством различных химических элементов и их изотопов.

Стремление объяснить происхождение всех химических элементов их синтезом в начале расширения было в 40-е годы естественным. Дело в том, что тогда ошибочно оценивали время, протекшее с начала расширения Вселенной, всего в 2—4 миллиарда лет. Это было связано с завышенным значением постоянной Хаббла. Сравнивая возраст Вселенной в 2—4 миллиарда лет с оценкой возраста Земли — около 4—6 миллиардов лет, приходилось, предполагать, что Земля, Солнце и звезды образовались из первичного вещества с уже готовым химическим составом. Считалось, что этот состав не изменился сколь-нибудь существенно, так как синтез элементов в звездах — процесс медленный и для его осуществления перед образованием Земли, Солнца и других тел уже не было времени.

Последующий пересмотр шкалы внегалактических расстояний привел к пересмотру возраста Вселенной. Теория эволюции звезд успешно объясняет происхождение всех тяжелых элементов (тяжелее гелия) их нуклеосинтезом в звездах. Необходимость объяснения происхождения всех элементов, включая и тяжелые, на ранней стадии расширения Вселенной, отпала. Однако, суть гипотезы горячей Вселенной оказалась верной.