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

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: