Каков возраст нашей Вселенной?

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 10Следующая ⇒

1912 год сыграл особую роль в истории астрономии. В Гарвардской обсерватории (Кембридж, штат Массачусетс) было сделано замечательное открытие, которое не только в корне изменило наши представления о строении мира, но и до сих пор служит основой исследований размеров, формы, возраста и эволюции Вселенной. Наиболее интригующей проблемой астрономии всегда был вопрос о возрасте Вселенной. В наши дни эта проблема обрела особую остроту, поскольку различные научные школы, возглавляемые авторитетными астрономами, не только дают оценки, различающиеся на миллиарды лет, но и, что еще хуже, сталкиваются с немыслимой ситуацией, когда Вселенная оказывается моложе самых старых звезд, входящих в нее.

Автором открытия, о котором рассказывается ниже, стала мало кому известная женщина‑астроном Генриетта Сван Ли‑вит. Это обстоятельство заслуживает особого внимания, поскольку в те годы женщины редко занимались наукой, так что знаменитая Мария Кюри, получившая с мужем Нобелевскую премию по физике в 1903 г., а затем и лично Нобелевскую премию по химии в 1911 г., была всего лишь ярким исключением из правил. Г. Ливит с группой сотрудниц занималась составлением каталога фотографий звездного неба, полученных на телескопе Гарвардского колледжа в горах Перу. Работа этих женщин была очень важной (коллеги в шутку называли их «вычислительными машинами»), но одновременно достаточно скучной и низкооплачиваемой. Однажды, изучая серию фотографий созвездия Магеллановых Облаков, Ливит заметила, что различие в блеске некоторых цефеид (звезд переменной яркости) зависит не только от их размера, но и от расстояния до Земли.

Важность этого наблюдения понял известный американский астроном Харлоу Шепли, который впоследствии более 30 лет был директором Гарвардской обсерватории (1920–1952). Наблюдаемые закономерности казались совершенно необычными. Яркость цефеид возрастала и уменьшалась в бесконечной последовательности циклов с периодом от нескольких дней до нескольких недель. Проведя измерение в течение хотя бы двух циклов, можно определить яркость каждой из звезд, называемую абсолютной яркостью. Разница между ее величиной и наблюдаемой в конкретный момент яркостью (так называемой кажущейся яркостью) зависит от расстояния до Земли. Еще Исаак Ньютон установил, что яркость объекта обратно пропорциональна квадрату расстояния до наблюдателя. Расстояние до звезды можно вычислить по простым тригонометрическим формулам, пользуясь которыми, например, моряки определяют расстояние от корабля до маяка. (В астрономии Землю можно уподобить кораблю, а звезду – удаленному маяку.)

Используя этот новый метод, Шепли продолжил наблюдения звезд Магелланова Облака ив 1916 г. обнаружил, что наша Солнечная система расположена не в центре Млечного Пути (как традиционно полагали астрономы), а на его периферии. По расчетам Шепли, расстояние до центра Млечного Пути составляло примерно 50 тысяч световых лет, однако позднее выяснилось, что оно равно 30 тысячам световых лет. Ошибка в расчетах объясняется тем, что он (как и все другие астрономы в начале прошлого века) полагал, что Млечный Путь включает всю Вселенную. Этот пример показывает, что ученым с трудом удается воссоздавать целостную картину мира даже в результате крупных научных открытий, если они не в состоянии отрешиться от традиционной системы взглядов.

Еще сильнее научное сообщество было поражено идеей Эдвина Пауэлла Хаббла, выдающегося астронома и постоянного оппонента X. Шепли. Хаббл предположил, что Млечный Путь является лишь маленьким фрагментом гигантской мозаики звездного неба. В дни новогодних торжеств 1925 г. в Вашингтоне состоялась астрономическая конференция, ставшая знаменитой из‑за доклада Хаббла, прочитанного от его имени одним из ведущих астрономов США Генри Норрисом Расселом. В докладе Хаббла было показано, что Млечный Путь – это одна из бесчисленных галактик, разбросанных в космическом пространстве на огромных расстояниях друг от друга. Хаббл даже придумал для них красивый поэтический образ «островные вселенные», который позволяет любому прочувствовать пустынные просторы космоса.

^{Спиральная галактика NGC 4639, расположенная на расстоянии 78 миллионов световых лет от Земли в созвездии Девы, представляющем собой скопление галактик. Яркие точки по краям рисунка соответствуют молодым звездам. Некоторые из них относятся к классу цефеид и имеют переменную яркость, обнаруженную впервые Генриеттой Сван Ливит в 1912 г. Начиная с 1920‑х годов астрономы используют цефеиды для определения межзвездных расстояний. (Предоставлено NASA.)}

Хаббл и его единомышленники предполагали, что так называемые спиральные галактики являются не просто облаками газа внутри Млечного Пути, а представляют собой целые звездные системы, расположенные далеко за его пределами. В 1923 г. начал работать новый 2,5‑метровый телескоп обсерватории Маунт‑Вильсон, и Хаббл использовал полученные на нем фотографии для доказательства своей теории. Расчеты с использованием данных о цефеидах подтвердили гипотезу Хаббла, и в настоящее время около 30% известных нам галактик астрономы относят к спиральным туманностям, которые обычно представляют собой плоский диск с центральным утолщением и двумя характерными спиральными ветвями, образованными горячими молодыми звездами, а также облаками межзвездной пыли и газа. Предлагаемые Эдвином Хабблом размеры Вселенной потрясли воображение астрономов и казались совершенно немыслимыми широкой публике.

В течение всей истории человечества именно астрономия подрывала в нас самоуважение. Добрый старый Птолемей во втором веке построил модель Вселенной, в центре которой находилась Земля, а Солнце, планеты и звезды вращались вокруг нее. Эта модель столь удовлетворяла человеческое самолюбие, что просуществовала до XVI века, когда Коперник показал, что Земля вращается вокруг Солнца. Идеи Коперника почти столетие вызывали ожесточенное сопротивление, и в 1633 г. Галилей предстал перед судом инквизиции за поддержку гелиоцентрической системы. В начале XX века Шепли «переместил» Солнечную систему на периферию Млечного Пути, а затем Хаббл показал, что Вселенная содержит огромное число других галактик. Человечеству пришлось осознать, что мы живем на очень небольшой планете, вращающейся вокруг весьма скромной звезды, в одной из нескольких сотен миллионов галактик, многие из которых содержат свыше двух миллиардов звезд.

После сенсационного доклада 1925 г. Хаббл вернулся к изучению так называемого красного смещения в цефеидах спиральной туманности, которую он считал скоплением галактик. Красным смещением называется сдвиг в красную область спектра излучения при удалении источника излучения от наблюдателя. Этот эффект на протяжении ряда лет изучал астроном Весто Слайфер в обсерватории имени Ловелла (Флагстаф, штат Аризона), однако в 1922 г. он занялся другими проблемами, тогда как Хаббл продолжал исследования и пришел к выводу, что красное смещение доказывает разбегание галактик и соответственно постоянное расширение Вселенной. Закон Хаббла, сформулированный в 1929 г. и остающийся основным методом оценки размеров и возраста Вселенной, утверждает, что чем дальше от нас находится галактика, тем сильнее проявляется в ней красное смещение.

К этому времени внимание американских астрономов привлекли результаты, полученные на телескопах обсерваторий Маунт‑Вильсон и имени Ловелла, которые по своим возможностям значительно превосходили европейские. С другой стороны, европейские физики во главе с Альбертом Эйнштейном успешно разрабатывали математические теории строения Вселенной. В начале 1930‑х годов астрономы и физики начали сознавать, что они с разных сторон подходили к одинаковым проблемам. Это привело к активному взаимодействию теоретиков и астрономов‑наблюдателей, в результате которого произошло «перекрестное опыление» и возникла теория Большого Взрыва, подробно описанная в гл. 1. В соответствии с этой теорией все вещество и энергия Вселенной 10–20 миллиардов лет назад были сконцентрированы в ничтожно малом объеме, практически в точке с бесконечно большими температурой и плотностью. Затем произошел взрыв и высвободившаяся энергия породила многочисленные галактики, которые мы и наблюдаем.

Как уже отмечалось выше, многие ученые не принимали теорию Большого Взрыва всерьез до тех пор, пока в начале 1960‑х годов не было обнаружено так называемое микроволновое фоновое излучение, предсказанное теорией как реликт Большого Взрыва. Понадобились усилия физиков и астрономов на протяжении почти столетия, начиная с первой статьи Эйнштейна по теории относительности в 1905 г., обнаружения Генриеттой Ливит закономерностей в яркости цефеид, теории Хаббла множественности вселенных, совместно с новейшими открытиями в радиоастрономии, чтобы возникли реальные основания для определения размеров, возраста и будущей судьбы Вселенной.

Наконец, астрономы получили в свое распоряжение космический телескоп «Хаббл», названный в честь ученого, впервые указавшего на существование огромного числа галактик. Первоначально предполагалось, что телескоп «Хаббл» подтвердит предполагаемый возраст Вселенной в 14–20 миллиардов лет и значительно расширит возможности наблюдения удаленных звезд. Телескопы на Земле позволяют регистрировать цефеиды, находящиеся на расстоянии в пределах 15 миллионов световых лет от нас. Когда телескоп «Хаббл» был полностью введен в действие (это произошло после ремонта его главного зеркала в 1993 г.), ученые получили возможность наблюдать цефеиды, удаленные на 60 миллионов световых лет.

Уже первый отчет 1994 г. группы астрономов, использовавших данные с телескопа «Хаббл», поверг всех в изумление. До этого считалось бесспорным, что постоянная Хаббла (скорость расширения Вселенной в законе Эдвина Хаббла, предложенном в 1929 г.) составляет 50 км/(с ∙ мегапарсек). Читатель может вполне реально представить себе расстояние в 50 км, однако мегапарсек является величиной совершенно иных масштабов: 1 парсек равен 3,26 световых лет, а мегапарсек – это миллион парсек. Ближайшая к нам галактика Туманность Андромеды находится на расстоянии около 2 миллионов световых лет, и астрономы запросто оперируют со значительно большими расстояниями. Однако при этом их крайне беспокоит, если новые результаты приводят к резкому изменению этих величин, а именно это произошло в 1994 г.!

Группа из 22 астрономов, используя телескоп «Хаббл», изучила 20 цефеид в галактике M100, расположенной в центре сверхскопления созвездия Девы. Красное смещение света этих цефеид показало, что галактика M100 находится гораздо ближе к нам, чем предполагалось, из чего вытекало, что постоянную Хаббла следует увеличить до 80 км/(с ∙ мегапарсек), т. е. Вселенная расширяется значительно быстрее, чем думали раньше. Столь высокая скорость расширения, в свою очередь, свидетельствует о том, что наша Вселенная значительно моложе, чем считалось до сих пор, и ее возраст составляет не 14–20 миллиардов, а всего лишь около 8 миллиардов лет.

Казалось бы, уже следовало привыкнуть к драматическим изменениям временных и пространственных масштабов. Однако с последней цифрой было трудно смириться. Она застряла у астрономов, как кость в горле. Дело в том, что в результате длительных и тщательных исследований уже давно и, как казалось, вполне надежно было установлено, что возраст самых старых звезд в нашей галактике – Млечном Пути составляет около 14 миллиардов лет. Это означает, что такие звезды старше, чем Вселенная в целом, чего не может быть.

Поддавшись панике, некоторые астрофизики даже предложили вернуться к так называемой космологической постоянной, которую Эйнштейн использовал при построении общей теории относительности, но позднее исключил из всех уравнений. С другой стороны, было бы проще предположить, что причина в ошибочных измерениях, проводимых с использованием телескопа «Хаббл». Группа ученых вернулась к работе и постаралась перепроверить полученные данные. В новом отчете, опубликованном в мае 1999 г., было приведено значение постоянной Хаббла 70 ± 7 км/(с ∙ мегапарсек), нижний предел которой [63 км/(с ∙ мегапарсек)] примерно соответствует возрасту старейших звезд Млечного Пути, причем одновременно другие исследования показали, что и ранние оценки возраста этих звезд были завышены. Руководитель группы Венди Фридман из обсерватории Карнеги (Пасадена, штат Калифорния) сказала в своем выступлении 25 мая 1999 г. по этому поводу, что «после долгих лет наконец наступила эпоха точной космологии» (в связи с этим хочется еще раз вспомнить Генриетту Ливит и отметить возросшую роль женщин в астрономии).

Буквально через несколько дней после этого заявления Венди Фридман, 1 июня 1999 г., на съезде Американского астрономического общества в Чикаго были представлены материалы важного исследования, ставящие под сомнение многие полученные ранее результаты. Используя систему радиотелескопов, расположенных далеко друг от друга, астрономам удалось с высокой точностью измерить расстояние от Земли до одной из галактик, находящихся в созвездии Большой Медведицы, составляющее 23,5 миллионов световых лет. Система радиотелескопов состояла из 10 идентичных антенн‑тарелок диаметром 25 м и была эквивалентна телескопу диаметром примерно 8000 км.

Результаты эксперимента показали, что размеры Вселенной примерно на 15% меньше, чем предполагалось до сих пор, и соответственно она настолько же моложе. Изучаемая галактика, обозначаемая NGC 4258, по мнению Джеймса Морана из Гарвардского университета, может считаться «истинным подарком природы для радиоастрономов», так как среди ее объектов есть так называемые мазеры – источники очень мощного радиоизлучения. Эти эксперименты считаются в настоящее время самыми точными и тоже доказывают, что Вселенная моложе самых старых звезд Млечного Пути.

Астрофизики прекрасно понимают, что с их наукой творится что‑то неладное. Возможно, измерения красного смещения, проводимые с 1920‑х годов, в чем‑то неверны или интерпретация результатов измерений, полученных с помощью радиотелескопов, базировалась на ошибочных предположениях. Возможно (хотя никто из астрономов не решится заявить об этом открыто!), что ошибочны все без исключения методы измерения галактических расстояний. Возможно, что неверна сама теория Большого Взрыва. Возможно, что существует антигравитация или же эволюция Вселенной определяется какими‑то еще неизвестными нам космологическими принципами и законами, действие и значение которых мы пока даже не можем себе вообразить. Пока нам остается лишь констатировать, что самые сложные эксперименты, проводимые наиболее авторитетными и квалифицированными космологами, пока не дают согласованного и убедительного ответа на вопрос о возрасте Вселенной.

Слабым утешением остается лишь мысль о том, что до начала 1920‑х годов ученые вообще полагали, что вся Вселенная состоит только из звезд Млечного Пути.

Литература для дальнейшего чтения

1. Ferris, Timothy. The Whole Shebang. New York: Simon & Shuster, 1997. Книга представляет собой ценный сборник материалов по проблеме определения возраста Вселенной, но, к сожалению, в ней отсутствуют результаты, полученные в самое последнее время.

2. Thuan, Trinh Xuan. The Secret Melody. New York: Oxford University Press, 1995. Книга написана в очень ясной, художественной и даже поэтической форме.

3. Boslough, John. Masters of Time. MA: Addison‑Wesley, 1992. Краткий обзор проблем и профессиональных конфликтов в космологии. Книга написана очень увлекательно и содержит тексты интервью с многими ведущими учеными.

4. Christianson, Gale E. Edwinn Habble. New York: Farras, Straus and Giroux, 1995. Прекрасная биография Э. Хаббла, включающая в себя изложение и историю его революционных идей в космологии. Читатель может не только ознакомиться с яркой и колоритной личностью самого Хаббла, но и узнать много нового о его многолетнем соперничестве с Харлоу Шепли и другими известными астрономами.

5. Hawking, Stephen. A Brief History of Time (10th anniversary edition/ New York: Bantham, Doubleday, Dell. 1998. (Имеется перевод: С. Хокинг. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр. – С.‑П.: Амфора, 2000.) Первое издание этой книги знаменитого физика стало международным бестселлером (впрочем, возможно, ее чаще цитируют, чем читают). Последнее пересмотренное и дополненное издание содержит много нового материала.

Глава 19.

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 140; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 789 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!