Ирина Радунская - Проклятые вопросы
Это открытие, как часто бывает, не привлекло сразу внимания учёных. Потребовалось значительное улучшение качества электронной аппаратуры, применяемой астрономами для исследования спектров слабых источников. В строй вступили новые схемы, способные регистрировать приход единичных фотонов.
ОТ ОТДЕЛЬНЫХ ДЕРЕВЬЕВ К ЛЕСУСистематические исследования спектральных линий поглощения, сопровождающих альфу Лаймана, были начаты в 1980 году американскими учёными под руководством В. Сарджента. Они увидели, что в коротковолновой окрестности линии альфа Лаймана простирается область непрерывного излучения, прорезанная десятком узких линий поглощения. Прибор нарисовал кривую, которая выглядит как еловый лес, отражающийся в водной глади: ели стоят сплошной стеной, а их вершины кажутся расположенными внизу. Сбоку на этой картине возвышается высокой и широкой вершиной изображение альфы Лаймана.
Так возникло и удержалось в научной литературе название — лес альфы Лаймана.
Какие тайны скрывает этот лес?
Помните, мы уже упоминали о том, что наиболее удалённые из галактик, видимых в лучшие телескопы, имеют значение красного смещения Z меньше чем единица? Астрономы могли только гадать: что же находится и происходит в огромном объёме, лежащем за этим пределом?
До тех пор пока не войдут в строй телескопы следующего поколения, составленные из многих зеркал, согласованно подчиняющихся командам ЭВМ, нечего и мечтать увидеть или сфотографировать за этим пределом объекты менее яркие, чем квазары.
Неожиданную возможность предоставил лес альфы Лаймана. Изучая его, расшифровывая информацию, закодированную в виде образующих его деревьев спектральных линий, можно получить информацию о том, что находится между нами и квазарами. Можно проникнуть мысленным взором туда, откуда к нам не доходит свет объектов менеё ярких, чем квазары.
Впрочем, неведомое и этим путём не может быть полностью изучено с поверхности Земли. Для квазаров с Z меньшим чем 1,7, альфа Лаймана и её лес испытывают слишком малое красное смещение, чтобы пройти сквозь слой озона. Эту узкую зону с Z от 1 до 1,7 можно прощупать только с искусственных спутников Земли, которые движутся за пределами слоя озона.
Что же увидели учёные в лесу альфы Лаймана?
Оказалось, что каждая из линий, образующих этот лес, связана с поглощением света квазара при его прохождении через огромные облака атомарного водорода. Это именно отдельные облака. Каждое из них ограничено в пространстве. Расстояние до облаков может быть определено из величины красного смещения — скорости удаления от нас каждого облака. Удаления, обусловленного фридмановским расширением той области пространства, которое включает данное облако. Каждое из этих облаков, расположенных на пути, по которому к нам идёт свет квазара, оставляет свою метку, свою линию поглощения, входящую в состав леса Альфы Лаймана. Речь идёт именно об отдельных облаках. Если бы всё космическое пространство было равномерно заполнено атомарным водородом, спектральные линии поглощения слились бы воедино, вызывая лишь ослабление света, приходящего к нам от квазара.
Убедительным подтверждением этой точки зрения является несхожесть структуры леса альфы Лаймана для различных квазаров. Ведь свет от них идёт к нам различными путями. Значит, он проходит через различные облака атомарного водорода, находящиеся на различных расстояниях от нас и имеющие индивидуальные значения величины красного смещения.
Исследуя спектральные линии поглощения, принадлежащие лесу альфы Лаймана данного квазара, учёные установили, что на каждый нейтральный атом водорода в облаке приходится около ста тысяч протонов (ионизированных атомов водорода). Удалось установить и массу облаков. Она огромна и обычно равна от 107 до 108 солнечных масс.
В 1984 году американские учёные, руководимые К. Фольтцем, установили, что размеры облаков сопоставимы с размерами галактик. При этом они опирались на одну интересную идею Эйнштейна. Речь идёт о гравитационных линзах — огромных областях пространства, геометрия которых искривлена скоплением колоссальных масс материи. Проходя через искривленное пространство, изгибаются и лучи света. При удачном стечении обстоятельств наблюдатель может видеть квазар, расположенный за гравитационной линзой, раздвоенным. Сейчас известно семь гравитационных линз, образующих по два изображения находящихся за ними квазаров.
Доказательством того, что это действительно удвоенное изображение одного и того же квазара, служит полное совпадение линий, образующих лес альфы Лаймана, в каждом из них.
Этот результат показывает, что облако водорода, образующего каждую из линий поглощения, связано с галактикой, невидимой из-за большого расстояния. Если бы облако было больше типичной галактики, то линии леса были бы сдвинутыми. Если бы они были меньше неё, то в лесу были бы и другие «деревья». К этому мы ещё вернёмся.
Так открылась одна из тайн космоса. Размеры облаков столь велики (несколько десятков тысяч световых лет), что их собственные гравитационные силы не смогли бы удержать их от расширения. Их удерживает гравитация, сдерживающая и звёзды в галактиках. Источником этой гравитационной силы является огромная масса невидимых нейтрино, стянутых в незримое облако гравитационными силами на ранней стадии эволюции Вселенной.
Признав, что водородные облака — порождение столь отдалённой эпохи, следует принять и то, что в их состав не входят другие элементы, кроме гелия. Но обнаружить в этих облаках присутствие гелия с поверхности Земли мешает слой озона, поглощающий излучение, исходящее от атомов гелия. Увидеть его — задача космической астрономии. Космические телескопы позволят сделать контрольный замер: определить отношение количества водорода к количеству гелия. Другие методы уже дали ответ: это отношение, как и предсказала теория Большого взрыва, составляет три к одному.
НОВОЕ ОБ АНАТОМИИ ВСЕЛЕННОЙТеорией Большого взрыва учёные называют модель ранних этапов эволюции Вселенной. Началом в этой модели возникновения мира является взрывоподобное, быстрое расширение плотной горячей массы первоначальной материи.
В спектрах леса Альфы Лаймана, полученных у нескольких квазаров, помимо линий поглощения водорода обнаружены спектральные линии сравнительно тяжёлых элементов — углерода, кремния и магния. Так закодирована ещё одна тайна. Расшифровка спектров показала, что в этих случаях луч зрения от квазара к телескопу проходит не через край водородного облака, а через его центральные области, проникая сквозь галактику, «спрятанную» в этом облаке. Точнее, луч зрения проходит через галактический диск или через гало, окружающее эту галактику, то есть через области, где, как показали исследования видимых, близких к нам, галактик, присутствуют эти элементы.
Французский учёный Ж. Бержерон специально исследовал эту проблему. К каким выводам привели его раздумья и наблюдения? Действительно, в тех случаях, когда свет квазара проходил сквозь гало видимой галактики, в этом гало обнаружено красное смещение, совпадающее с красным смещением линий тяжёлых элементов в лесу альфы Лаймана этого квазара.
Так возник ещё один способ увидеть невидимое. Анализируя «состав» леса Альфы Лаймана от невидимых галактик, можно многое узнать о них, например место нахождения, направление. Можно даже прикинуть расстояние до галактик, расположенных много дальше за ними. Это очень ценный метод, так как пока нельзя увидеть даже более близкие галактики. Надежда на огромные телескопы, находящиеся ещё в стадии проектирования.
Уже зафиксированы случаи, когда луч света от квазара проходит через области, где плотность атомов водорода в 1000 раз больше, чем в обычных облаках, образующих лес Альфы Лаймана. Во всех этих случаях в спектре появляются сильные линии тяжёлых элементов. Учёные сделали вывод, что в этих случаях луч света квазара проходит через центральный диск молодой галактики. В одном из таких случаев значение Z равнялось 3,3. Значит, галактика возникла лишь через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Наличие линий тяжёлых элементов в её спектре свидетельствует о том, что в ту раннюю эпоху уже произошли взрывы сверхновых звёзд первого поколения. Ведь элементы, тяжелее чем литий, могли образоваться только в результате таких взрывов. Существенно, что молекулярные облака и пыль в то время ещё не образовались, иначе их присутствие отобразилось бы в структуре спектров.
Наблюдения леса альфы Лаймана, позволяющие опознавать галактики за пределами видимости, уже дали возможность обнаружить огромные скопления галактик, находящихся в стенках «пены», заполняющей Вселенную. Пеной физики называют самые большие из структур, возникших, когда Вселенной было всего 3 миллиарда лет. Так была ещё раз подтверждена теория образования галактик из продуктов Большого взрыва, разработанная советским учёным Я. Б. Зельдовичем.
