ЛЕКЦИЯ ДЕСЯТАЯ

ВСЕЛЕННАЯ

Греки космосом называли мир упорядоченный, прекрасный в своей гармонии в отличие от Хаоса - первозданной сумятицы. Все наши знания о Вселенной происходят из наблюдений. Единственным источником информации является свет, пришедший из дальних миров.

Энергия, полученная с помощью оптических телескопов с момента их создания (Г. Галилей, 1609-1610), ничтожно мала и достаточна для нагрева стакана воды на 0,01 К. За всю историю развития радиоастрономии (в 1931 г. впервые зафиксировано радиоизлучение Млечного пути) - всего на 10^-7 К.

И на этой основе базируются все наши сведения с Вселенной!

На протяжении всей истории человек воспринимал и анализировал с помощью органов чувств лишь видимый свет, незначительный интервал электромагнитного излучения.

Что видели наши древние предшественники? Что видим мы? Смену дня и ночи, движение Луны, Солнца. Движение на ночном небосводе неких конфигураций звезд - созвездий.

Созвездия как отдельные группы звезд на небе наблюдатели выделяли уже в глубокой древности. Каждое созвездие получило название, различное в разных странах и даже в одной стране в разных религиях (рис. 10.1) Сегодня на звездном небе 88 созвездий (по решению Международного астрономического совета в 1930 году), около 240 звезд имеют собственные имена. Наиболее известное

94

Рис. 10.1
Путь кометы Хейя-Кутаки в проекции на созвездия северного неба

созвездие неба Северного полушария - Большая Медведица. Его старинное русское название - Воз.

Мистическое влияние приписывают созвездиям Зодиака. Уже ко II веку до нашей эры годовой путь Солнца среди звезд разделили на 12 частей, каждую из которых обозначили символом ближайшего к ней созвездия, знака зодиака. В настоящее время из-за особенностей движения Земли (прецессии оси вращения, см. лекцию 15) зодиакальные знаки не совпадают с соответствующими созвездиями. Так, 22 марта Солнце входит в зодиакальный знак Овна, фактически находясь в созвездии Рыб. Человек, рожденный "под знаком Близнецов" должен помнить, что Солнце в это время было на самом деле в созвездии Тельца. Такие мелочи не останавливают любителей астрологии, а интерес к оккультным предсказаниям подогревается средствами массовой информации.

В 1991 году любитель-астроном из США объявил конкурс с премией в 10 000 долларов. Условия конкурса очень просты - сделать снимок затменного Солнца 11 июля (в момент полного солнечного затмения в Лос-Анжелесе в 1991 года) на фоне созвездия Рака. Но надо знать, что 11 июля Солнце будет в созвездии Близнецов. Только астрологи считают, что Солнце в этот день находится в созвездии Рака. Именно для этого они предпочитают говорить не о созвездиях, а о "знаках". За тысячелетия, прошедшие с момента создания астрологических таблиц, прецессия земной оси изменила видимое положение Солнца.

95

Остановимся на единицах измерений, применимых для гигантских масштабов Вселенной.

Световой год - используется в популярной литературе. Соответствует расстоянию, которое свет пройдет за один год, около 10 000 миллиардов км.

Астрономическая единица - радиус орбиты Земли (1 а.е. = 1,496 × 10¹¹ м).

Парсек (параллакс-секунда) - в научной литературе применяется для измерения межзвездных и межгалактических расстояний.

Эффект параллакса легко обнаружить, посмотрев на палец вытянутой руки сначала одним, а потом другим глазом. Изображение пальца двигается, так как вы смотрите на палец с двух разных точек - левым и правым глазом.

Парсек (пс) - расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом 1 с (отсюда и название). Под таким углом монета достоинством в 1 копейку видна с расстояния 3 км. Самая ближняя звезда-соседка Солнца - Проксима (в переводе с древнегреческого - ближайшая) Центавра находится от нас на расстоянии 1,3 пс. Определить это расстояние достаточно просто. Если мы знаем диаметр орбиты Земли, то по проекции положения звезды на "неподвижной" небесной сфере, наблюдаемой с противоположных относительно Солнца точек орбиты, можно определить угловое смещение (параллакс) изображения звезды (рис. 10.2). Для Проксимы Центавра параллакс равен 0,751 угловой секунды. Тогда для этой звезды расстояние будет равно 4,1 × 10¹³ км или 1,3 пс.

Окружающие Солнце звезды составляют лишь ничтожную часть гигантского скопления звезд и туманностей, именуемого Галактикой (с большой буквы - в ней находится Солнечная система). Это скопление звезд мы знаем как Млечный Путь.

Рис. 10.2
К определению расстояния до звезды

Млечный Путь - довольно большая Галактика, имеет диаметр около 40 000 пс. Самая близкая Галактика - Магеллановы Облака в созвездии Андромеды

96

Рис. 10.3
Строение Галактики
1 - сферическая составляющая; 2 - Солнце; 3 - ядро; 4 - шаровое скопление.

(и по расстоянию, и по размерам) находится на удалении 720 000 пс. То есть отношение расстояния между галактиками к их средним размерам около 20.

Расстояние до ближайшей к Солнцу звезды 4,1 × 10¹³ км при диаметре Солнца около 1,5 × 10⁶ км. Тогда отношение расстояния между типичными звездами к их размеру около 10⁷. Ясно, что это число характеризует вероятность столкновения объектов. Чем оно больше, тем менее вероятно такое явление. То есть столкновение галактик значительно более вероятно, чем столкновения звезд (и действительно наблюдаются последствия таких столкновений).

Средняя плотность галактик в наблюдаемой части Вселенной около 3 на 1 кубический миллион парсеков, то есть среднее расстояние между ними - около 700 000 пс. Типичная скорость движения галактик около 1000 км/с. Так, для прохождения расстояния до ближайшей соседки требуется около 1 миллиарда лет. Если учесть размеры галактик и случайность направления движения, то окажется, что за 10¹³ лет (оценочное время существования Вселенной) каждая галактика может испытать, по меньшей мере, одно столкновение с себе подобной.

Размеры Галактики (рис. 10.3): радиус - около 20 000 пс, толщина в центральной части - около 5000 пс. Скорость движения Солнца по галактической траектории на расстоянии около 8000 пс от центра Галактики близка к 300 км/с.

Около галактической плоскости расположено 95% массы Галактики. На долю сферической составляющей 1

97

приходится около 5% вещества Галактики. Важными представителями сферической составляющей являются шаровые скопления звезд.

Если в окрестностях Солнца на 10 кубических парсеков приходится одна звезда, то в шаровых скоплениях она в пять раз выше, а около центра скопления доходит до одного миллиона звезд на кубический парсек.

Много неясного связано и с ядром Галактики. Его диаметр, видимый с Земли, около 9 градусов, линейные размеры около 4000 световых лет. Ядро является источником очень мощного радиоизлучения.

В 1934 году Э. Хаббл подсчитал, что на один квадратный градус приходится в среднем 131 галактика со светимостью до 20 звездной величины (лекция 11). Сфера содержит 41 253 квадратных градуса. То есть общее число галактик до двадцатой звездной величины на небесной сфере около 6 миллионов. Более того, показано, что галактики в пространстве распределены достаточно однородно.

Внимательное изучение спектров галактик позволило сделать одно открытие фундаментальной важности. Было обнаружено (Э. Хаббл, 1929 год), что у удаленных галактик спектральные линии всегда смещены в красную область спектра ("красное смещение").

Частота излучения, измеряемая наблюдателем, зависит от направления и скорости движения источника относительно наблюдателя. С таким явлением мы сталкиваемся, например, когда стоим на железнодорожной станции и мимо нас на большой скорости проходит состав. Этот эффект был описан в 1842 году австрийским физиком X. Доплером (1803-1853) и носит его имя.

Когда источник (звуковой волны или электромагнитного излучения) приближается, для наблюдателя его спектр смещается в сторону коротких длин волн ("фиолетовое смещение"). Когда же источник удаляется, то его спектр для наблюдателя смещается в сторону больших длин волн ("красное смещение"). Заметим, что частота излучения самого источника при этом остается неизменной. Кстати, именно эффект Доплера лежит в основе электронных устройств, применяемых сотрудниками органов внутренних дел для измерения скорости автомобиля.

98

Рис. 10.4
Спектр реликтового излучения
В какую бы точку пространства ни был направлен радиотелескоп, он обнаружит реликтовое излучение.

"Красное смещение", то есть уменьшение частоты излучения, спектральных линий является свидетельством того, что все галактики удаляются от нас. Скорость разлета весьма велика. Так, радиогалактика 3С295 (излучающая в основном радиоволны), удаленная от нас на 5 миллиардов световых лет, улетает со скоростью 138 000 км/сек (половина скорости света!).

Никто не знает, как возникла Вселенная. Моделей зарождения Вселенной существует много. Все они основаны на фактах разлета удаленных галактик и наличии обнаруженного в 1965 году реликтового излучения (А. Пензиас и Р. Уиллсон, Нобелевская премия 1967 года).

Интенсивность этого излучения не зависит от направления, в котором его наблюдают исследователи с Земли, - оно изотропно в пространстве. Интенсивность реликтового излучения очень мала и соответствует излучению черного тела с температурой 3 К (рис. 10.4).

При этом мы должны отметить, что Вселенная, видимо, конечна и существует ограниченное время. Действительно, если бы Вселенная существовала бесконечно долго и была бы бесконечной, свет от всех заполняющих ее звезд (бесконечно большого числа) дошел бы до Земли, и ночной небосвод был бы не черным с вкраплениями звезд, а светлым. Это заключение носит название парадокса Ольберса (по фамилии сформулировавшего его в 1826 году Г. Ольберса).

Кроме того, в бесконечной Вселенной энергия гравитационного взаимодействия любого тела со всеми другими была бы бесконечно большой, то есть ньютоновскую теорию тяготения к Вселенной применять нельзя (это заключение носит название парадокса Зеелигера и сформулировано в 1895 году).

99

Одна из наиболее вероятных моделей Вселенной - модель Большого взрыва. Наличие реликтового излучения - одно из подтверждений этой модели. Около 10-14 миллиардов лет назад вещество Вселенной существовало в виде объекта сверхбольшой плотности. Что это за состояние? Что происходило с ним при Большом взрыве?

Комбинируя три фундаментальных физических постоянных: скорость света с, гравитационную постоянную G и постоянную Планка ħ можно получить некие характерные длину l, время t, массу т и плотность ρ:

Современные представления о зарождении Вселенной оперируют этими величинами и позволяют проанализировать возникновение Вселенной, считая эти величины исходными для дальнейших рассмотрений. При этом все наши представления о Большом взрыве начинаются с момента t ∼ 10^-44 с (другие оценки - 10^-35 с). Что было до этого момента?

Модель расширяющейся Вселенной была сформулирована А.А. Фридманом (1888-1925) в 1922-1923 годах еще до обнаружения "красного смещения" в спектрах галактик.

В модели Большого взрыва раннюю стадию развития Вселенной можно разделить на ряд этапов. Первый этап - эра тяжелых частиц и мезонов. Основную роль играет излучение. В конце этого промежутка частицы аннигилируют с античастицами, остается небольшой избыток частиц (время после Большого взрыва t < 10^-4 с, плотность материи ρ > 10¹⁴ г/см³, температура Т > 10¹² К).

100

Второй этап - лептонная эра. Основную роль играют легкие частицы - электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино. Заканчивается этап аннигиляцией электрон-позитронных пар (t < 10 с, ρ > 10⁴ г/см³, Т > 10¹⁰ К). Третий этап - эра радиации. Излучение "отделяется" от вещества. Реликтовое излучение является как раз результатом этого процесса (t > 10 с, ρ < 10⁴ г/см³, Т > 3000 К). На четвертом этапе формируются протозвезды и протогалактики (t ∼ 1 000 000 лет, ρ ∼ 10^-21 г/см³, Т ∼ 3000 К).

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое созвездие? Одинаково ли расстояние до звезд, входящих в созвездие?
2. Как по созвездию Большая Медведица найти Полярную звезду?
3. Как измерить расстояние до звезды? Для каких звезд подходит метод параллакса?
4. Почему вероятность столкновения галактик больше вероятности столкновения звезд?
5. Что такое "красное смещение"? Приведите примеры из своего опыта.
6. Что мы понимаем, когда говорим: "Вселенная расширяется"?
7. Мы наблюдаем разбегание галактик, значит ли это, что наблюдатель на Земле находится в центре Вселенной?

101