Eduardo Lopez - Космос становится больше. Хаббл. Расширение Вселенной

• Название: Космос становится больше. Хаббл. Расширение Вселенной
• Автор: Eduardo Lopez
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Научпоп
• Год: 2015

Эдвин Хаббл получил высшее юридическое образование, но благодаря увлечению космологией стал одним из величайших астрономов XX века. Его работы расширили наши представления о космосе за пределами Млечного Пути: Хаббл обнаружил и классифицировал дальние галактики, а в 1929 году доказал, что Вселенная расширяется. Космический телескоп «Хаббл» продолжает составление карты Вселенной, так же как это делал в течение 30 лет сам американский астроном.

---

Однако прежде чем поговорить о Хаббле с его 100-дюймовым телескопом, представим, как мы тихонько пробираемся в кабинет Эйнштейна и наблюдаем за его работой. Вот ученый записывает формулы. Что это за формулы? Вначале он предложил уравнения, которые показались ему самыми простыми. Но эта попытка оказалась неудачной: согласно этим уравнениям Вселенная... расширяется. Но этого не может быть, это абсурдно: Вселенная должна быть статичной. Тогда Эйнштейн меняет свои уравнения, добавляя к ним еще одну переменную — космологическую постоянную А. Эта константа объясняла расширение Вселенной, без которого самогравитация заставила бы Вселенную коллапсировать, стянуться в одну точку, что было равнозначно ее разрушению.

С помощью этой небольшой хитрости ученый достиг своей цели. Воспользовавшись космологической постоянной, Эйнштейн представил нам модель Вселенной, которая была статичной (не двигалась), стационарной (неизменной) и конечной в пространстве. Эту космологическую постоянную сегодня можно было бы назвать темной энергией, так что можно сказать, что понятие темной энергии было введено еще Эйнштейном.

Почти одновременно де Ситтер нашел другое решение уравнений Эйнштейна, верное только для вселенной с низкой плотностью, идеально — для вселенной без материи. Однако решение не было статичным, поэтому оно не понравилось Эйнштейну. Вселенная де Ситтера расширялась, и тогда было предсказано, что v = H0r, что вызвало раздражение Хаббла, и успокоил его только примирительный тон мудрого нидерландца, но об этом мы уже говорили.

Прошло достаточно много времени, пока не нашли решение уравнений Эйнштейна, приемлемое сегодня и справедливое для любых периодов, за исключением времени, равного долям секунды, когда относительность не может применяться. Решение было найдено независимо друг от друга русским ученым Александром Фридманом между 1922 и 1924 годом и бельгийцем Жоржем Леметром в 1927 году. Несмотря на то что модель Леметра появилась позже, считается, что она полностью самостоятельна: Леметр ничего не знал о статьях Фридмана, опубликованных на немецком языке.

ПАРАДОКС ОЛЬБЕРСА

В 1823 году немецкий астроном Генрих Вильгельм Ольберс (1758-1840) сформулировал парадокс, который следует из одной естественной мысли, приводящей нас прямо в сердце космологии. Представим, что галактики распределены по Вселенной более или менее гомогенно. Разделим окружающее нас пространство на слои, словно в луковице. Свет от удаленного слоя будет затухать пропорционально r2. Но если в любой точке неба мы можем обнаружить звезду и если бы слоев было бесконечное множество, то мы на Земле по ночам видели бы сияющие небеса. Однако это не так. Самый простой способ разрешить этот парадокс — представить, что свет от удаленных галактик еще не успел дойти до нас.

Зато эти работы прочел Эйнштейн, тут же заявивший, что это решение неприемлемо. Такую же реакцию вызвала у него и работа Леметра, потому что она также противоречила статичной модели. Однако за этим последовала переписка Эйнштейна с Фридманом и устная дискуссия с Леметром, и наш швейцарец принял математическое дополнение своих уравнений, которое сделали эти двое ученых. Эйнштейн не считал, что Вселенная является именно такой, какой видели ее Фридман и Леметр, но признавал корректность их математических рассуждений, и это признание делает ему честь.

Вселенная Фридмана и Леметра расширялась, это расширение происходило (только на современном этапе и в недавнем прошлом) по закону, известному нам как закон Хаббла, v = H0r. На самом деле это простое линейное уравнение было частью более общего уравнения, о котором мы уже говорили:

v→ = H(t)r→,

где H(t) — функция времени, которую эти модели позволяли найти на протяжении жизни Вселенной. Были описаны три типа Вселенной, и все они предполагают Большой взрыв (хотя сам этот термин появился гораздо позже), то есть начало Вселенной, которое Фридман назвал Erschaffung («творение»), а Леметр — «примитивным атомом» и даже «изотопом нейтрона» (он решил, что изначально существовали только нейтроны, распадающиеся на протон и электрон, — в то время были известны только эти частицы). Это были следующие модели.

1 .Закрытая Вселенная, в которой расширение прекращается и начинается сжатие, что приводит к коллапсу Вселенной, названному Большим сжатием (big crunch) — в противоположность Большому взрыву, кривизна этой Вселенной положительная.

2. Открытая Вселенная, в которой расширение длится бесконечно; ее кривизна отрицательная.

3. Критическая Вселенная, или Вселенная Эйнштейна — де Ситтера, или плоская Вселенная; ее кривизна нулевая. Эта самая простая модель, в ней расширение будет вечным, но в бесконечности его скорость стремится к нулю. Плотность типа р α t-2, хотя в прошлом с z = 10000 (приблизительно) во Вселенной доминировал свет, а не материя, и плотность излучаемой энергии была пропорциональна t½.

Эйнштейн в конце концов принял модель Большого взрыва, особенно после разговора с Хабблом, хотя у него и вызывала сомнения терминология: само слово «космологический» (отцом которого считают Эйнштейна) и Большой взрыв, навевающий религиозные ассоциации.

ТЕОРИЯ СТАЦИОНАРНОГО СОСТОЯНИЯ

Значительно позже парадокса Ольберса, в 1948 году, возникла теория, конкурировавшая с теорией Большого взрыва. Речь идет о теории стационарного состояния, предложенной Фредом Хойлом, Томми Голдом и Германом Бонди. Эта теория, сегодня опровергнутая, соперничала с теорией Большого взрыва в течение большей части XX века. Стационарная Вселенная, как это следовало из ее названия, находится в стационарном,неизменном состоянии, но она не статична, то есть можно было наблюдать движение — движение расширения, которое на тот момент подтверждалось наблюдениями. Уменьшение плотности при расширении компенсировалось постоянным созданием новой материи. Хойл использовал термин Большой взрыв (big bang), чтобы поиронизировать над моделями, в которых предполагалось, что Вселенная имела начало во времени и материя в ней при этом имела бесконечную плотность. Однако эта насмешка закрепилась в качестве названия теории Фридмана и Леметра, принятой впоследствии Эйнштейном. Пока решалась судьба теории Большого взрыва и теории стационарного состояния, одни связывали Большой взрыв с идей Бога-творца, а другие предпочитали атеистическую теорию стационарного состояния. Этот спор захватил очень многих.

Британский астроном Фред Хойл.

Виллем де Ситтер, один из самых уважаемых космологов- релятивистов.

Жорж Леметр, которому мы обязаны первой формулировкой теории Большого взрыва.

Альберт Эйнштейн во время посещения Маунт-Вилсона в 1931 году. На фото мы можем увидеть Хаббла (во втором ряду второй слева) и Уолтера Адамса (в центре в шляпе).

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ И ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Современная космология признает существование темной материи и темной энергии. Сегодняшние представления о составе Вселенной отражены на диаграмме.

Можно посчитать, что эти названия появились недавно, но это не так. Космологическая постоянная, которую ввел Эйнштейн в 1915 году, объясняет возможность существования темной энергии. Темная материя была открыта болгарским астрономом Фрицем Цвикки в 1933 году. Он применил теорему о вириале к скоплению Кома и сделал вывод о том, что в этом скоплении должна присутствовать невидимая материя, потому что в противном случае высокие скорости галактик рассеяли бы это скопление или оно имело бы большие размеры. Представлены три возможных типа распределения темной материи в скоплении галактик: в виде большого гало, при этом в отдельных галактиках темной материи нет (рисунок 1); каждая галактика имеет собственное гало из темной материи (рисунок 2); смешанный вариант — галактика с темным гало внутри большого темного гало скопления (рисунок 3). Третий вариант сегодня считается наиболее вероятным, так что предлагаем новую скороговорку: не галактики с гало и не гало галактик, а галактики с гало внутри гало галактик.

Вселенная де Ситтера, в которой доминировала космологическая постоянная, — это Вселенная будущего, потому что космологическая постоянная предполагает расширение, а расширение влечет уменьшение плотности Вселенной и, соответственно, уменьшение самогравитации. Вселенная де Ситтера — это Вселенная большого разрыва (big rip), в которой расширение со временем все сильнее, — на языке математики это называется экспоненциальным расширением.