Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы - Фальке Хайно
Это стало для астрономов озарением в самом прямом смысле этого слова. Радиоволны могут проникать через препятствия толщиной в стену, и облака пыли в Млечном Пути не представляют для них серьезной преграды. Теперь можно было регистрировать радиоизлучение, пробивающееся сквозь темные пятна Млечного Пути, и ван де Хюлст и Оорт смогли измерить его структуру и даже обнаружить спиральные рукава в Галактике. Их было бы довольно легко увидеть, если удалось бы воспарить над Галактикой, но мы с вами находимся в ее плоскости и потому смотрим на нее сбоку.
В середине 1950‐х годов нам наконец удалось точно определить наше положение в Млечном Пути. Солнечная система на самом деле находится между Рукавом Стрельца и Рукавом Персея в так называемом Местном Рукаве. Мы движемся вокруг галактического центра со скоростью 250 километров в секунду. Хорошо, что нам не нужно составлять наши календари, руководствуясь галактическим годом: чтобы сделать полный оборот на этой галактической карусели, нашей планетной системе требуется 200 миллионов земных лет.
Подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца, Солнце, в свою очередь, обращается вокруг центра Млечного Пути. Сегодня мы можем заметить его движение, понаблюдав за черной дырой в галактическом центре с помощью наших радиотелескопов в течение нескольких недель, как это регулярно делают мои коллеги Андреас Брунталер и Марк Рейд [89]. Высокая скорость галактического центра относительно нас – иллюзия, поскольку именно мы движемся относительно центра Млечного Пути вместе со всеми звездами вокруг нас.
Из-за этого в долгосрочной перспективе картина нашего неба также изменится. Примерно через 100 000 лет семь звезд знаменитого Большого Ковша, входящего в гораздо большее созвездие Большая Медведица, станут выглядеть иначе, чем сегодня. Трапециевидный ковш с ручкой будет выглядеть так, как будто кто‐то расплющил его о стену.
Млечный Путь по‐прежнему является объектом пристального изучения. Миссия Gaia Европейского космического агентства (ЕКА) сообщает нам массу новых подробностей его строения и истории развития. В 2018 году Амина Хельми раскрыла секрет, который наш Млечный Путь хранил с незапамятных времен. (Амина Хельми – галактический археолог и профессор Гронингенского университета, и в этом качестве она является преемницей своих великих предшественников Каптейна и Оорта.) Десять миллиардов лет назад наша Галактика поглотила целую галактику Гайя-Энцелад, и орбиты ее осколков до сих пор пересекают нашу Галактику. Захватив такую жирную галактическую добычу, диск нашего Млечного Пути вырос в размерах, а в центре у него образовалось небольшое брюшко, так называемый балдж (выпуклость).
Но Млечный Путь пока не закончил свое развитие. Вокруг него обращается еще много маленьких галактик, а через несколько миллиардов лет мы сольемся с равной нам по размеру соседней галактикой Андромеды. Нашу родную Галактику еще ждут впереди захватывающие события.
6
Галактики, квазары и Большой взрыв
На моем вводном занятии в начале каждого семестра я всегда несколько минут занимаюсь со студентами физкультурой. Я прошу пятерых студентов встать у стены плечом к плечу так, чтобы они образовали линию, перпендикулярную стене. Ближайшая к стене студентка должна, согнув в локте и прижав к телу левую руку, опереться ею о стену. Все остальные кладут свои левые руки на плечо соседа/соседки. По моей команде они одновременно должны вытянуть левые руки так, чтобы между каждым студентом и его соседом слева образовалось расстояние, равное длине руки. Что же тогда произойдет?
Если все они одновременно вытянут руки, то студентка, стоящая прямо у стены, должна будет сделать один шаг в сторону. Ее сосед, чтобы удержать равновесие и чтобы расстояние от него до соседки слева оказалось равным длине руки, должен сделать два шага в сторону, в результате чего он уже будет стоять на расстоянии двух длин руки от стены. А его соседу справа придется, соответственно, в ту же секунду отпрыгнуть на три шага в сторону. Ну, а что же ждет бедную студентку, стоящую последней? Все верно: она получит изрядный толчок и отлетит в сторону – сделать пять шагов за секунду просто нереально. К счастью, обычно мне удается ее поймать.
Эта демонстрация иллюстрирует процессы, происходящие при расширении пространства. Что случается, когда между двумя студентами или, скажем, между двумя галактиками появляется небольшой зазор? Они все будут отскакивать друг от друга, и чем больше будет становиться расстояние между ними, тем быстрее им придется двигаться. Это простое наблюдение, но когда мы распространяем его на космос, оно меняет наше представление о Вселенной так же радикально, как открытия Коперника, Кеплера или Ньютона [90].
Вскоре после того, как Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности, он обнаружил, что у него возникла проблема с “его вселенной”: она оказалась нестабильной. Как известно, гравитационное взаимодействие обуславливает только притяжение объектов друг к другу. Технически, вселенная, заполненная материей, должна сжаться в точку, как воздушный шар, когда из него выходит воздух. Сегодня мы называем этот сценарий “Большим сжатием”.
К счастью, Эйнштейн смог проделать со своими уравнениями один трюк, а именно: вставить в них свободный параметр – так называемую “космологическую постоянную”. С ее помощью он ввел некую таинственную силу, заставляющую Вселенную расширяться, – своего рода антигравитацию. Введя эту космологическую постоянную, Эйнштейн смог спасти модель своей вселенной от неизбежного Большого Сжатия, однако тот факт, что пришлось искусственно ввести этот параметр, его раздражал.
Дальше – больше. В 1922 году советский физик Александр Фридман сообщил Эйнштейну, что он может описать Вселенную с помощью уравнений теории относительности даже без введения в них этой таинственной постоянной, – но только при условии ее расширения. Эйнштейн отверг эту идею. Он считал Вселенную вечной и неизменной, и в то время у него были веские причины так думать.
И все же эти базовые убеждения Эйнштейна удалось поколебать. Сделал это один католический священник, который не только математически описал расширяющуюся Вселенную, но даже заявил, что астрономы уже видели признаки такого расширения. Этим священником был Жорж Леметр из Бельгии. Выпускник иезуитского колледжа, переживший ужасы Первой мировой войны, он стал священнослужителем и параллельно начал изучать математику и физику в Лёвене. Свое обучение он продолжил в Кембридже, у прославленного астрофизика Артура Эддингтона, а завершил в Бостоне – в Массачусетском технологическом институте (MIT), где получил степень доктора философии.
Леметр первым обратил внимание на странные характеристики галактических туманностей, которые американец Весто Слайфер обнаружил, работая в обсерватории Лоуэлла в Аризоне. В 1917 году Слайфер измерил скорость галактик с помощью эффекта Доплера. Мы знаем про этот эффект в акустике: если мимо нас проезжает машина скорой помощи с ревущей сиреной, то пока она едет к нам, мы слышим более высокий звук, а как только она нас минует и начинает удаляться, мы слышим более низкий звук. То, что верно для звука, верно и для света. Если галактики движутся к нам, свет “сжимается” и становится более голубым; если они улетают от нас, свет “вытягивается” и становится более красным. Как мы знаем, свет всегда движется с постоянной скоростью в обоих направлениях, но восприятие нами цвета меняется. Итак, измеряя длины волн характерных спектральных линий атомов в свете галактик с помощью спектрографа, вы можете зафиксировать даже малейшие сдвиги этих линий и, следовательно, измерить скорость галактик в том направлении, вдоль которого вы смотрите.
Результат оказался неожиданным: если не считать нашей соседки – галактики Андромеды, – длины волн характерных линий в основном смещались в красную сторону. То есть почти все галактики (кроме туманности Андромеды) от нас удаляются! Это было более чем странно и не могло оказаться совпадением. Представьте себе большой танцпол, заполненный скользящими по нему парами. Разве число пар, движущихся к вам, не должно быть примерно таким же, как число пар, удаляющихся от вас? А что если окажется, что все они от вас удаляются? Вы решите, что все хотят держаться от вас подальше?
