Книга: Почему небо темное. Как устроена Вселенная

2.3. Что означает расширение Вселенной?

2.3. Что означает расширение Вселенной?

Итак, наша Вселенная расширяется. Однако что это означает? Есть ли центр, из которого началось расширение, и где он находится? Что было до начала этого расширения? Что находится вне Вселенной — ведь она должна расширяться во что-то? Эти и подобные им вопросы часто возникают при первом знакомстве с космологией.

Скажу сразу, что такие вопросы в их простейшей формулировке лишены смысла и они, как правило, основаны на сравнении процесса расширения Вселенной с обычным взрывом. Стивен Хокинг предложил такую аналогию: почти в любом месте на Земле вопрос о том, что находится к северу от него, имеет смысл, но в точке Северного полюса этот вопрос становится бессмысленным. Так и разговор о структуре и рождении Вселенной в терминах непосредственного житейского опыта также не имеет смысла.

Слово «взрыв» появилось в названии стандартной космологической модели уже довольно давно. Весной 1949 года знаменитый английский астрофизик Фред Хойл выступил на радио ВВС с серией научно-популярных передач об астрономии и, рассказывая о модели расширяющейся Вселенной, впервые назвал ее знаменитым сейчас термином «Большой взрыв» — «Big Bang». (На самом деле слово «Bang» правильнее переводить с английского как «удар», «стук», звук удара или взрыва — «бац», «бабах».) Возможно, Хойл вложил в эти слова иронический смысл, так как он был противником стандартной космологии и автором собственной теории стационарной Вселенной, возможно, он просто хотел, чтобы слушатели лучше представили себе эту модель, но, как бы то ни было, вскоре это название стало практически синонимом теории расширяющейся Вселенной. Не исключено, что не вполне корректный перевод введенного Фредом Хойлом термина нанес больше вреда пониманию модели расширяющейся Вселенной для русскоязычных любителей астрономии, чем его — Хойла — критика теории Большого взрыва!

Дело в том, что расширяющаяся Вселенная не является результатом «взрыва» в обычном понимании. Расширение при взрыве любого взрывчатого вещества происходит из-за разности давления продуктов взрыва и окружающей среды (например, воздуха). В эволюционирующей Вселенной никаких градиентов давления нет. При обычном взрыве всегда можно локализовать его центр, кроме того, всегда можно указать, куда разлетаются остатки взрыва. В расширяющейся Вселенной нет ни центра, ни стандартно трактуемого окружающего пространства. Эдвард Харрисон сформулировал это так: «вселенная не в пространстве, она содержит пространство». Так как можно представить себе расширение Вселенной?[14]

По-видимому, самая популярная аналогия, хотя, как и любая аналогия, не вполне точная, была предложена еще в 1930 году Артуром Эддингтоном. В статье, посвященной обсуждению устойчивости замкнутой космологической модели Эйнштейна, он сравнил процесс расширения с раздуванием резинового шара, причем галактики и все другие объекты находятся на поверхности этого шара (рис. 25). Очевидно, что по мере раздувания шара галактики будут удаляться друг от друга, причем в каждой точке поверхности шара будет казаться, что все объекты удаляются именно от этого места. Тем самым, центр расширения резинового «пространства» будет находиться вне этого «пространства».

Рис. 25. Модель расширения Вселенной в виде раздувающегося воздушного шарика. При раздувании шара расстояния между галактиками увеличиваются, хотя сами галактики остаются неподвижными по отношению к сопутствующей, расширяющейся вместе с шариком, системе координат (вертикальные и горизонтальные линии на шарах). Размеры самих галактик также не меняются в ходе расширения Вселенной (рисунок из статьи Линевивера и Дэвис (2005))

Другая наглядная модель расширения Вселенной — это кусок обыкновенного теста с вкрапленными в него изюминками. По мере разбухания теста изюминки (галактики) начинают удаляться друг от друга, однако по отношению к окружающему тесту (пространству) изюминки никуда не двигаются. Отсутствует и центр расширения — если не рассматривать области вблизи границы куска, то «разбегание» изюминок можно обнаружить в каждой точке теста. По-другому представил себе расширяющуюся Вселенную американский художник Джосайя Мак-Илхени (рис. 26). В его скульптуре (!), вдохновленной беседами с известным космологом Девидом Вайнбергом, сам момент начала космологического расширения скрыт центральной алюминиевой сферой. Эта сфера изображает так называемую поверхность последнего рассеяния (см. следующий параграф), из которой в разных направлениях торчат стержни. Стержни — это не траектории частиц, это визуализация времени: длина стержней служит мерой времени, прошедшего после начала расширения. Стержни имеют разную длину, и их концах закреплены стеклянные диски, изображающие галактики и их скопления, а также лампочки (квазары). При продвижении от центра скульптуры к ее краям происходит эволюция свойств космических объектов — растут размеры галактик и скоплений, появляются эллиптические галактики (стеклянные шарики), яркость и частота встречаемости лампочек меняются в соответствии с наблюдаемой эволюцией свойств квазаров. Стоя возле этой скульптуры, можно читать лекции по космологии и эволюции галактик!

Рис. 26. «An End to Modernity» — скульптура, иллюстрирующая эволюцию нашей Вселенной (©Мак-Илхени 2005). Photo courtesy the artist Collection Tate Modern, London, United Kingdom

Вернемся снова к расширению Вселенной. При описании обычного взрыва мы можем говорить о скорости разлета его продуктов по отношению, например, к центру взрыва. В случае расширения Вселенной на больших — космологических — расстояниях понятия скорости и расстояния теряют свою однозначность, становятся модельно зависимыми. Поэтому для описания расширения астрономы используют величину, легко определяемую из наблюдений, — красное смещение (z) в спектрах галактик.

Рис. 27. Формирование красного смещения (?₀ — длина волны, испущенная удаляющимся из-за расширения Вселенной источником; ? — длина волны этого же объекта при наблюдениях с Земли)

В рамках стандартных представлений красное смещение возникает из-за расширения Вселенной — в процессе распространения в расширяющемся пространстве длины волн фотонов непрерывно растут (рис. 27). Этот рост пропорционален так называемому масштабному фактору R (t), который характеризует изменение со временем (t) пространственных расстоянии в однородно расширяющейся Вселенной:

где R (t) — масштабный фактор в настоящую эпоху, а R (t₀) — значение этого фактора в более раннюю эпоху t₀, когда был испущен регистрируемый в настоящее время фотон.

Несколько числовых примеров. Как видно из приведенной выше формулы, красному смещению, равному 1, соответствует отношение масштабных факторов, равное 2, что означает, что при z = 1 расстояния между несвязанными гравитационно объектами были в 2 раза меньше. Кроме того, длина волны излучения, распространяющегося от галактики с z = 1, увеличилась к настоящему времени в 2 раза. По сравнению с эпохой, когда z было равно 9, расстояния увеличились в 10 раз, в 10 раз увеличились и длины волн детектируемого на Земле излучения.

Связь между временем и красным смещением нелинейная, и зависит от принятой модели Вселенной. Так, в рамках современных представлений нашей эпохе (z = 0) соответствует время после начала космологического расширения, равное примерно 14 млрд лет. Возраст Вселенной при z = 1 равен примерно 6 млрд лет, то есть нас от той эпохи отделяют почти 8 млрд лет. К z = 9 — примерно на этом красном смещении сейчас наблюдаются самые далекие галактики — Вселенная расширялась лишь около 500 млн лет.

Раньше в научно-популярной литературе было принято характеризовать далекие квазары и галактики скоростью, с которой они удаляются от нас. Например, рассказывая об удаленном квазаре, авторы, чтобы поразить воображение читателя, писали, что он удаляется от нас со скоростью, составляющей 90 % скорости света. Для расчета скорости, как правило, использовали релятивистскую, то есть полученную в рамках специальной теории относительности, формулу для эффекта Доплера. Такой подход, конечно, не верен. Во-первых, эта формула применима лишь для отклонений от глобального космологического расширения (например, для описания пекулярных, вызванных взаимодействием друг с другом, скоростей галактик) и она не подходит для описания глобального расширения. В случае расширяющейся Вселенной связь между z и скоростью выражается более сложным образом, чем по формуле для эффекта Доплера. Во-вторых, как обычно считается, увеличение длин волн при космологическом расширении — это вообще не эффект Доплера в его классическом понимании.

Остановлюсь на последнем утверждении чуть подробнее. Обычный, знакомый со школы, эффект Доплера — это изменение длины волны фотона, излученного источником, движущимся в обычном пространстве, в «жесткой» системе координат. При этом скорость фотона по отношению и к источнику излучения, и к наблюдателю равна скорости света и, кроме того, с испущенным фотоном по пути до наблюдателя ничего не происходит. В расширяющемся пространстве фотон движется со скоростью света относительно той точки, в которой он находится, но из-за глобального расширения каждая такая точка непрерывно удаляется от наблюдателя. Изменение длины волны фотона происходит непрерывно на протяжении всего пути до наблюдателя (рис. 27), так что итоговое красное смещение является кумулятивным эффектом. Можно, упрощая, сказать, что в обычном эффекте Доплера объекты перемещаются в пространстве, а при формировании космологического красного смещения объекты никуда не двигаются, а расширяется само пространство между ними, включая распространяющееся в нем излучение.

В относительно небольших областях пространства, в которых расширение происходит с малыми относительными скоростями (?z ? 0.1), связь космологического z и скорости совпадает с формулой для классического эффекта Доплера. Поэтому в астрономии и возникла отчасти неудачная традиция оперировать скоростями удаления галактик, что имеет смысл лишь для v << c, и для простоты говорить о красном смещении как об эффекте Доплера. Корректнее этот эффект называть, скажем, космологическим эффектом Доплера[15].

Таким образом, наблюдаемое в спектрах галактик красное смещение имеет, по меньшей мере, две составляющие — космологическое z, вызванное расширением Вселенной, и классическое доплеровское, связанное с упоминавшимися чуть ранее пекулярными скоростями галактик из-за их взаимодействия друг с другом. (Конечно, вклад в красное смещение дают лишь радиальные составляющие этих скоростей.) Пекулярные скорости галактик, как правило, малы (сотни — тысячи км/с) и поэтому их вклад в итоговое красное смещение далеких галактик незначителен. Есть еще один — третий — фактор, влияющий на наблюдаемое z, — гравитационное красное смещение, связанное с «покраснением» фотонов, удаляющихся от массивных объектов. В большинстве случаев вклад этого эффекта также мал по сравнению с глобальным расширением.