Этюды о Вселенной: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Как мы уже говорили, Вселенная не исчерпывается нашей Галактикой даже вместе с галактикой М31. Новый общий каталог (NGC) содержит перечень около десяти тысяч галактик вместе с их важнейшими характеристиками (светимость, форма, отдаленность и т.д.) – и это лишь малая толика из десяти миллиардов галактик, в принципе различимых с Земли. Сказочный гигант, способный охватить взглядом сотню-другую миллионов световых лет, разглядывая Вселенную, увидел бы, что она заполнена космическим туманом, капельками которого являются галактики. Временами встречаются скопления, состоящие из тысяч галактик, собранных вместе; одно такое гигантское скопление находится в созвездии Девы.

В центре галактик

Внутри галактик происходят весьма внушительные явления. Мы уже говорили о сверхновых – звездах, которые взрываются с невероятной силой. Еще более впечатляющими являются некоторые катастрофические процессы, связанные с присутствием в центре Галактики «таинственных объектов» (правда, теперь не столь уж таинственных). Огромные облака межзвездной пыли делают невидимой центральную часть нашей Галактики. Только с помощью радиотелескопов можно проникнуть сквозь пыль и получить информацию «из первых рук» об этом интереснейшем районе, расположенном в направлении Стрельца. Дополнительные сведения дает наблюдение середины других галактик. Общая картина еще не завершена, но из уже имеющихся данных извлечена очень интересная информация.

Центральные части галактик заполнены звездами; на ночном небе планеты, вращающейся по орбите вокруг такой звезды, были бы видны мириады других ярчайших звезд. Многие из них – это красные гиганты или белые карлики; таким образом, речь идет о звездах, уже близких к концу своей карьеры. Все же ученые предполагают, что наиболее интересным объектом в галактике, как правило, является гигантская черная дыра, появившаяся в результате гравитационного коллапса какой-либо сверхзвезды; эта звезда могла в свою очередь родиться за счет многократных столкновений и слияния более мелких объектов.

До сих пор никто еще не видел этих черных сверхдыр, необъятных и ненасытных, способных разом проглатывать целые солнечные системы; масса их может изменяться в пределах от нескольких миллионов до миллиардов солнечных масс. Одну из галактик скопления в Деве-М87 – отличает неправильное распределение звезд в центральной ее части, что, возможно, связано с необычайно сильным гравитационным притяжением какой-то черной дыры. Да и в центре нашей Галактики находится странный радиоисточник диаметром примерно в один миллиард километров (несколько больше, чем орбита Юпитера), который почти наверняка не является пульсаром, т.е. остатком взрыва сверхновой. Из-за отсутствия оптической видимости нам недостает очень важной информации об этом объекте. Тем не менее одна из наиболее захватывающих гипотез состоит в том, что мы здесь имеем дело с черной дырой, масса которой не превышает пяти миллионов солнечных масс.

Черные дыры превращают массу в энергию

Чтобы вдохнуть жизнь в свои предположения, астрофизики пытаются выяснить, каким образом черные дыры могут себя обнаружить. Оставленные в одиночестве, они даже не излучают свет, поэтому трудно что-либо узнать о них. Однако черная дыра, по-видимому, иногда может быть окружена облаками газа или множеством звезд, которые непрерывно ею захватываются; эти умирающие солнца должны двигаться со скоростями, сравнимыми со скоростью света, они должны быть подвержены сильнейшим приливам и отливам и в конце концов будут раздавлены. Все это выглядит как гигантский фейерверк, равных которому нет в космосе, если, конечно, не считать «большой взрыв». Более того, черная дыра должна очень эффективно превращать вещество в энергию в соответствии со знаменитой формулой E = mc2. в термоядерных реакциях удается превратить в энергию не более 0,8% всей массы; в черной дыре эта цифра могла бы достичь 30...40%. Этим необыкновенно большим энерговыделением можно объяснить поразительные явления, происходящие в галактиках, а также мощнейшее излучение некоторых квазаров. Несколько миллионов лет назад упомянутая выше галактика М87 выбросила в четко определенном направлении большое количество вещества, что могло быть вызвано наличием в ее центре черной дыры. Радиоисточник ЗС236 имеет две гигантские лопасти общей длиной, достигающей почти 20 млн. световых лет, что делает его самым протяженным объектом, который когда-либо наблюдал человек. Для таких колоссальных выбросов вещества необходимо также невообразимое количество энергии, какое не способны обеспечить обычные термоядерные реакции.

Другой объект, названный АО 0235+164 (это название придумано вовсе не Итало Кальвино, как может показаться), за несколько недель стал в десять тысяч раз ярче всей нашей Галактики.

Разумеется, такое разбазаривание энергии не может продолжаться долго. Разглядывая с помощью наших телескопов миры на расстояниях в миллиарды световых лет, мы находим множество сверхъярких объектов-квазаров, хотя столь же удаленные от нас галактики мы увидеть не можем, так как они светятся слишком слабо. Излучение квазаров исходит из очень маленькой (по космическим масштабам) центральной зоны и имеет характеристики, которые непрерывно меняются, как, например, в случае уже рассмотренного источника АО 0235+164. Общепринятое объяснение этого состоит как раз в том, что мы имеем дело с галактическими ядрами, содержащими черные дыры в активной стадии. Продолжительность жизни этих объектов невелика: меньше чем за 100 млн. лет они угасают, и жизнь галактики вновь возвращается в нормальное русло.

Это происходит, когда черная дыра «съедает» все окружающее ее вещество, создавая тем самым пустоту вокруг себя. в ближайшие годы ожидается такое накопление сведений о квазарах, что мы сможем описать их жизнь, а следовательно, и жизнь галактик во всех деталях. Новые данные, полученные с помощью телескопа «Эйнштейн», чувствительного к рентгеновскому излучению, говорят о том, что это «жизнеописание» находится еще только в начальной стадии. на современном уровне знаний о галактиках мы не можем пока ответить на все более настойчивые вопросы, касающиеся происхождения и структуры Вселенной.

Масштабы космоса действительно грандиозны по сравнению с масштабами человеческими: достаточно оглянуться, чтобы увидеть рассыпанные на расстояниях в несколько миллиардов световых лет друг от друга совершенно необычные объекты. Конечно, выбор объекта исследования зависит от личного вкуса, но надо признать, что квазары представляют исключительный интерес. Ниже мы подробно расскажем еще об одном явлении, известном с 1929 г.: все галактики летят прочь от нас со скоростями, пропорциональными расстояниям до них (закон Хаббла), т.е. Вселенная расширяется.

Квазары

Ученые обнаружили такие космические объекты, которые разлетаются с громадными скоростями, достигающими девяти десятых скорости света. Согласно закону Хаббла, это должны быть объекты, удаленные на десяток миллиардов световых лет и, следовательно, чрезвычайно яркие, раз их можно наблюдать с Земли. Эти источники энергии должны иметь ограниченные размеры, небольшие по сравнению с размерами галактик (отсюда и название «квазар» – квазизвездный объект), поскольку наблюдаются очень быстрые (в течение нескольких недель) изменения интенсивности их излучения. Широко распространено мнение, что мы здесь имеем дело с различными стадиями эволюции нормальной галактики; появление черной дыры в ее центральной части привело бы к превращению вещества в энергию с чрезвычайно высокой эффективностью по сравнению с обычными термоядерными реакциями, происходящими в звездах.

Результатом этого было бы появление космической вспышки малой длительности (меньше 100 млн. лет), но огромной интенсивности и, следовательно, видимой на очень далеких расстояниях. Некоторые астрофизики, в том числе Арп, не согласны с таким подходом и считают, что можно поставить под сомнение само соотношение Хаббла, связывающее скорости разлетания космических объектов с расстояниями между ними. Правда, такая точка зрения не является общепринятой.

Эффект линзы

На этом сюрпризы, связанные с квазарами, не кончаются. в 1979 г. Уолш, Карсуэлл и Вейманн, изучая двойной квазар 0957+561 с двумя составляющими а и В, обнаружили, что их спектры излучения и скорости удаления одинаковы. Таким образом, речь шла не о случайном выстраивании в одну линию изображений двух объектов. Согласно одной захватывающей гипотезе, мы здесь имеем дело с двойным, а может быть, и с тройным изображением одного и того же объекта. Раздвоение изображения, по-видимому, вызвано тем, что между нами и квазаром расположена галактика большой массы. Действительно, как уже говорилось ранее, в 1919 г. английские ученые обнаружили, что свет звезд, проходя рядом с Солнцем, слегка отклоняется за счет притяжения светила. Гравитационное поле Солнца ведет себя как гигантская линза диаметром в несколько миллионов километров. Именно этот эффект, предсказанный общей теорией относительности Эйнштейна, принес ученому всеобщую известность и в течение длительного времени представлял собой единственное экспериментальное подтверждение теории. Наш квазар 0957+561 выявил существование гравитационных линз космических масштабов. Согласно Юнгу, Гунну Кристиану, Оке и Вестфалу, на пути между нами и квазаром находится скопление галактик, которое ведет себя как гравитационная линза; аберрация этой линзы и приводит к раздвоению изображения. в настоящее время осуществляются очень сложные и точные эксперименты, результаты которых позволят прояснить детали двойного изображения, а следовательно, и формы галактической линзы.

Другие наблюдательные данные о галактических линзах

Впоследствии в подтверждение описанных результатов было получено известие об открытии еще одной галактической линзы, расположенной на пути к квазару 1115+080 и со всей очевидностью приводящей к наличию тройного изображения этого квазара.

Объекты такого рода представляют дальнейшее подтверждение теории относительности, если вообще в этом существует необходимость. Теория предсказывает, что количество изображений должно быть нечетным; и действительно, третье изображение, хотя и очень слабое, появляется на некоторых снимках квазара 0957+561, полученных с помощью большого радиотелескопа в Нью-Мексико. Более того, изображение квазара 1115+080, по всей видимости, является пятикратным. Согласно исследованиям группы Юнга, наличие многократных изображений может позволить провести новое измерение хаббловской константы расширения Вселенной, величина которой неоднократно пересматривалась и в настоящее время все еще является предметом дискуссий и полемики.

Если наши представления соответствуют действительности, то галактическая линза должна иметь колоссальные размеры, ее диаметр должен превышать миллионы световых лет, а в образование такой линзы должны давать вклад гравитационные поля целого скопления галактик. Мы находимся в преддверии новой эпохи в астрофизике, когда сведения о далеких галактиках будут получены путем исследования влияния их гравитации на свет, идущий от еще более далеких объектов, расположенных на одной с ними линии. Примерно десять миллиардов галактик можно наблюдать (во всяком случае, в принципе) в космосе; любой очень далеко расположенный квазар так или иначе оказывается на одной прямой с какой-нибудь более близкой к нам галактикой, которая искажает его изображение. до сих пор мы имели дело только с двумя крайними случаями таких искажений; наверняка существуют и другие искажения, которые еще не распознаны. Присутствие галактик искажает изображения далеких объектов, и наиболее удаленные области Вселенной выглядят деформированными, как дно горного потока. Относительность неизменно готовит нам все новые и новые сюрпризы.

Глубина и богатство содержания общей теории относительности проявляются в наибольшей мере, когда теория гравитации Эйнштейна используется для изучения явлений космических масштабов. в этом смысле общая теория относительности в громадной степени стимулировала развитие космологии.

Космические масштабы

Сколь велика Вселенная? на этот вопрос, который мне задают очень часто, трудно дать удовлетворительный ответ в нескольких словах. Ведь невозможно подступиться к важным темам современной космологии, не имея четкого представления хотя бы в общих чертах о размерах Вселенной и тех объектов, которые ее заполняют. Иногда удается объясниться, используя так называемую десятитысячную шкалу. Речь идет о последовательности объектов или расстояний, каждый из которых в десять тысяч раз больше предыдущего, причем отсчет начинается с размеров привычных, человеческих, и доходит до размеров Вселенной.

Итак, для начала возьмем характерный размер – высоту потолка, которую положим равной четырем метрам; затем умножим ее на десять тысяч и выйдем при этом в стратосферу (40 км). Следующий шаг приведет нас на Луну (400000 км), а умножив еще один раз на десять тысяч, мы попадем на границу Солнечной системы, удаленную на 4 млрд. км, т.е. на расстояние, которое свет пройдет за четыре часа. Мы уже находимся на четвертой ступени, соответствующей пределу, которого достигали автоматические станции, посланные с Земли. Следующий шаг катапультирует нас прямо к Альфе Центавра – ближайшей к нам звезде, удаленной на расстояние в 40000 млрд. км. Теперь уже один километр оказывается смехотворно маленьким, и в качестве единицы измерения используется световой год, который, как мы говорили выше, немногим меньше 10000 млрд. км, Альфа Центавра находится как раз на расстоянии 4,3 светового года, и таково типичное расстояние между звездами, расположенными вблизи Солнца.

Шестая ступенька приведет нас в недра Галактики – громадной линзообразной массы, заполненной сотнями миллиардов звезд. Солнце, которое находится на периферии, отдалено от центра Галактики чуть меньше чем на 40000 световых лет. Следующий шаг отнесет нас на расстояние в 400 млн. световых лет; при этом звезды уже заведомо слишком малы, чтобы быть видимыми с Земли, и Вселенная кажется нам равномерно заполненной миллиардами галактик, расстояния между которыми в среднем равны нескольким миллионам световых лет. Дальше продвигаться мы не можем: согласно представлениям современной космологии и имеющимся наблюдательным данным, невозможно увидеть объекты, отдаленные на расстояния, большие, чем примерно 12 млрд. световых лет. Таким образом, нам не хватило до последней ступеньки всего лишь множителя, равного 30.

В своей исчерпывающей, но, к сожалению, адресованной лишь специалистам книге, посвященной гравитации и космологии, известный физик Стив Вайнберг отмечает, что современная наука берет начало с открытия того, что Земля не является центром Вселенной. После проведенного здесь обсуждения, даже если философы и специалисты по истории науки будут нам возражать, мы сможем без труда согласиться с этим по причинам, о которых я не решаюсь говорить раньше времени. Во всяком случае развенчание нашей планеты явилось и началом современной космологии: оно породило космологический принцип.

Космологический принцип

Этот принцип утверждает, что в среднем Вселенная выглядит одинаково, в каком бы месте она ни рассматривалась.

Слова «в среднем» означают, что мы должны исследовать область Вселенной с диаметром порядка нескольких миллионов световых лет, что соответствует последнему отсчету нашей шкалы. Насколько можно судить, все имеющиеся наблюдательные данные согласуются с такой рабочей гипотезой. Космологический принцип необходим также и по менее благородным причинам: без него было бы почти невозможно решить сложнейшие уравнения поля Эйнштейна, которые описывают эволюцию Вселенной.

Биография космологического принципа поучительна, и ее стоит рассказать. в 1744 г. швейцарский астроном де Шезо и независимо от него в 1826 г. Ольберс сформулировали следующий парадокс, который привел к кризису тогдашних наивных космологических моделей. Представим себе, что пространство вокруг Земли бесконечно, вечно и неизменно и что оно равномерно заполнено звездами, причем их плотность в среднем постоянна. с помощью несложных вычислений Шезо и Ольберс показали, что полное количество света, посылаемое на Землю звездами, должно быть бесконечным, из-за чего ночное небо будет не черным, а, мягко говоря, залито светом. Чтобы избавиться от своего парадокса, они предположили существование в космосе обширных блуждающих непрозрачных туманностей, заслоняющих наиболее отдаленные звезды. на самом деле так выйти из положения нельзя: поглощая свет от звезд, туманности поневоле нагревались бы и сами излучали свет так же, как и звезды.