Это значит, что Вселенная везде одинакова, но “однородность”, “одинаковость” нужно понимать в определенном статистическом смысле. Поясню примером: воздух в сосуде однороден. В каждом кубическом сантиметре одинаково число молекул кислорода и одинаково число молекул азота. Если же взять очень маленькие объемы, например кубики с ребром 3 • 10-7 см и объемом примерно 10-20 см3 , то в них в среднем должна находиться одна молекула кислорода или азота. Значит, в каждый данный момент в каком-то одном или нескольких кубиках нет ни одной молекулы, в других — одна молекула N2 , в третьих — одна молекула О2 , а может быть и две или три молекулы, одинаковых или разных. Однородность же проявляется только тогда, когда мы рассматриваем достаточно большие объемы.
Во Вселенной однородность проявляется в объемах (кубах) с характерным размером (ребром) больше 300 мегапарсеков (1 мегапарсек (Мпс) = 106 парсеков (пс) =3•106 • 1018 см = 3•1024 см). Однородность Вселенной в масштабах 300 Мпс и больших означает, что в любом кубе с таким ребром, где бы его ни “поместить” во Вселенной, будет заключено приблизительно одинаковое количество скоплений галактик. Такие скопления представляют собой самые большие структурные единицы Вселенной и заменяют молекулы газа в приведенном выше примере. В масштабах же порядка 30 Мпс Вселенная неоднородна. Заметим, что масштабы ~ 300 Мпс значительно меньше того расстояния, до которого можно исследовать Вселенную современными телескопами.
2. Составные элементы Вселенной
Как мы уже сказали, самой большой структурной единицей является во Вселенной скопление галактик. Большие скопления содержат тысячи галактик, их линейные размеры достигают нескольких мегапарсеков. Входящие в скопления галактики состоят из сотен миллиардов звезд. Звезды же состоят из горячего газа, образованного атомными ядрами и электронами. Небольшая часть газа находится в пространстве между звездами. Если взять достаточно большой объем во Вселенной и поделить общее количество вещества в нем на объем, то получим среднюю плотность. Средняя плотность вещества во Вселенной заключена между 10-30 и 10-31 г/см3 . Большой объем надо было взять для того, чтобы случайно не попасть на область, где вещества намного больше или меньше, чем в среднем.
Атомные ядра состоят, как мы знаем, из протонов и нейтронов (в свою очередь, протоны и нейтроны состоят из кварков, но это сейчас для нас несущественно). Среди ядер больше всего во Вселенной свободных протонов, т.е. ядер водорода — их примерно 70% от общего числа нуклонов (протонов и нейтронов). Около 15% протонов связаны в других ядрах, главным образом в ядрах гелия. И, наконец, около 15% составляют нейтроны, также связанные в ядрах. Всего гелия во Вселенной приблизительно 25—28%. На ядра тяжелых элементов остается всего лишь около 2% нуклонов.
Плотность электронов (число штук в 1 см) равна плотности протонов, так что электрические заряды их уравновешивают друг друга. В среднем Вселенная электронейтральна. Протоны и нейтроны имеют приблизительно одинаковую массу 1,67 • 10-24 г, масса электрона намного меньше — она равна 9,1• 10-28г. Понятно теперь, что среднее (для больших объемов!) число нейтронов и протонов в 1 см3 можно оценить, поделив (10-30 — 10-31) г/см3 на 1,67 • 10-24 г. Оказывается, что в 1 см3 во Вселенной в среднем 6 • (10–7 – 10-8) нуклонов. Другими словами, один нуклон (протон или нейтрон) приходится в среднем на несколько кубических метров!
Подчеркнем еще раз, что внутри тех больших объемов, о которых мы говорили, вещество распределено крайне неравномерно. Например, в центре нашего Солнца плотность около 100 г/см3, что в(1032 — 1033) раз больше средней. Существуют и гораздо более плотные звезды — плотность в центральных областях нейтронных звезд ~1014 г/см3. И в то же время между галактиками плотность вещества меньше средней.
3. Реликтовое излучение
Вселенная заполнена первичным радиоизлучением с длинами волн от 1 метра до 1 миллиметра. Это излучение называют еще реликтовым, потому что оно сохранилось от самых первых стадий эволюции Вселенной. Оно не связано с какими-либо источниками, например, со звездами или с радиогалактиками.
Читатели “Кванта” знают, что излучение можно рассматривать как поток частиц — квантов электромагнитного поля, иначе их называют фотонами. Поэтому можно не только говорить о потоке и плотности энергии излучения, но и подсчитать число фотонов, находящихся в данный момент в единице объема. Оказывается, что это число велико — 500 фотонов в 1 см3. Средняя энергия фотона составляет 1,6 • 10-22 Дж. Общая энергия всех фотонов в единице объема около 8 • 10-14 Дж/м3. Для сравнения со средней плотностью вещества во Вселенной выразим энергию фотонов через массу. Воспользуемся для этого формулой Эйнштейна Е = mс2. Тогда по порядку величины “фотонная плотность массы” равна 10-33 г/см3. (Говоря о массе фотона, мы имеем в виду определяемое формулой Эйнштейна соответствие массы и энергии; напомним, что масса покоя фотона равна нулю. Буквами Е и m мы обозначаем в тексте соответственно суммарную энергию и массу всех фотонов в 1 см3).
Вырисовывается любопытная картина: по числу штук фотонов гораздо больше, чем протонов, нейтронов и электронов. Если же вести подсчет плотности, т.е. массы в единице объема, то протоны и нейтроны в 100 или 1000 раз превосходят фотоны (излучение). Хочется сравнить ситуацию со слонами в лесу, где есть также муравьи: число слонов меньше числа муравьев, но они тяжелее, и общая масса всех слонов больше массы всех муравьев. Однако это сравнение неточное. Фотоны не муравьи, они не сидят в муравейниках, они со скоростью света летают во всех направлениях и нигде не собираются в кучи или стаи — именно потому, что они “легкие”; протоны и нейтроны — “тяжелые”, поэтому силы тяготения собирают их в плотные кучи — планеты, звезды, галактики.
Подсчет числа реликтовых фотонов совершается с помощью радиотелескопов. Технически это довольно трудная задача, так как на Земле есть много фотонов местного, земного и солнечного происхождения. Преодолев все эти трудности, радиоастрономы измерили общий поток фотонов реликтового излучения. Он оказался равным 1,3x1012 (см • с • стер )-1. Отсюда и была вычислена указанная выше концентрация реликтовых фотонов но Вселенной.
Есть основания считать, что кроме фотонов Вселенную пронизывают и другие частицы, в частности нейтрино и антинейтрино разных сортов. Если масса покоя нейтрино равна нулю, то их вклад в суммарную
плотность примерно равен вкладу в плотность от излучения. Однако даже очень малая масса покоя одного из видов нейтрино (в 25000 раз меньше массы покоя электрона) радикально изменила бы наши представления о средней плотности вещества во Вселенной.
Современная физика уже вполне охотно приписывает нейтрино малую массу покоя, хотя и не дает определенного числа. В свою очередь астрономы приводят доводы в пользу того, что масса галактик и скоплений галактик больше массы содержащегося в них обычного вещества. Предполагается, что существует еще какая-то “скрытая” масса, которая обнаруживается только по той силе тяготения, которую она создает.
4. Эволюция Вселенной
Вселенная не остается все время в одном и том же состоянии — она эволюционирует. Об этом можно судить, измеряя скорость движения далеких галактик. Наблюдения показывают, что далекие галактики удаляются от нас со скоростью u, пропорциональной расстоянию r до них. Формула u = Нr выражает знаменитый закон Хаббла. Коэффициент пропорциональности Н называется постоянной Хаббла и приблизительно равен 50 (км/с)/Мпс. Отметим здесь же, что название “постоянная” указывает в этом случае только на независимость Н от величины и направления вектора r. В то же время Н зависит от времени.
Для того чтобы установить этот закон, нужно было научиться определять скорости движения галактик и расстояния, на которых они находятся.
Принцип определения скорости таков. Излучение галактик содержит спектральные линии, принадлежащие определенным химическим элементам (вспомните, например, “желтую линию” натрия, которую вы видите, когда поваренная соль NaCI попадает в пламя газовой горелки). Законы физики везде одинаковы. Длина волны определенной линии в момент излучения одинакова на Земле и в любой самой далекой галактике. Если источник удаляется, то согласно эффекту Доплера покоящийся наблюдатель будет принимать излучение, смещенное к красному концу спектра, другими словами, длина волны для наблюдателя увеличится.
Для случая, когда скорость u много меньше скорости света с, смещение z=u/с. В случае же, когда скорость u приближается к с, формула, связывающая миг, становится более сложной, но нам она не потребуется. Понятно, что, измеряя смещение спектральных линий в спектрах небесных тел и галактик, можно вычислить их скорость удаления (так называют составляющую скорости, направленную вдоль “луча зрения”).
Эффект Доплера даст возможность не только измерять скорость удаляющихся от нас галактик, но “работает” и на автомобильных дорогах. Автоинспекторы вооружены специальным прибором — “пистолетом”, измеряющим скорость приближающихся или удаляющихся автомашин. В отличие от космических объектов, автомашины сами не излучают, а лишь отражают электромагнитный импульс, испускаемый “пистолетом”. Подумайте, как это влияет на величину эффекта Доплера?
А как же определить расстояния до галактик? Эта задача — одна из самых важных и самых трудных в космологии. Говорят, что нужно иметь “стандартный метр” или “стандартную свечу”.
Астрономы, изучая и классифицируя сравнительно близкие к нам объекты, нашли среди них такие, светимость и размеры которых хотя бы приблизительно известны. Это позволило найти расстояния до аналогичных объектов, находящихся далеко.
Сопоставляя расстояния со смещениями спектральных линий, астрономы установили закон Хаббла и нашли постоянную Н. С другой стороны, когда постоянная Хаббла Н уже известна, измерение расстояния может быть сведено к определению скорости u (или смещения z). Разумеется, у нас нет никаких оснований думать, что мы занимаем какое-то выделенное положение во Вселенной. Естественно поэтому, что наблюдатель в любой другой галактике тоже увидит картину убегающих удаленных от него галактик. Относительная скорость любых двух галактик пропорциональна расстоянию между ними. Именно это утверждение следует из закона Хаббла.
5. Большой взрыв
Процесс разбегания галактик заключается в увеличении со временем расстояний между ними. Можно задать вопрос, — когда это движение началось?
Определить момент, когда все галактики находились “в одном и том же месте” (“в точке”), совсем просто, если предположить, что скорость u удаления от нас каждой галактики остается постоянной с течением времени. Достаточно для этого разделить сегодняшнее расстояние r на скорость u. Получим t = r/u = r/Hr = 1/H = 20 млрд лет.
Предположение о постоянстве u не противоречит закону Хаббла: хотя расстояние r увеличивается со временем, Н, как уже упоминалось выше, тоже зависит от времени.
Более аккуратные рассуждения показывают, что скорость удаления каждой галактики к тому же уменьшается с течением времени. Причина этого в том, что галактикам приходится преодолевать силы тяготения, действующие на них со стороны остальных галактик. Это приводит к тому, что в действительности время, прошедшее с начала расширения (возраст Вселенной),оказывается ближе к t0 =2/3·1/Н =13 млрд. лет. (Вычисляя возраст, мы подставляем в формулы сегодняшнее значение постоянной Хаббла Н, раньше величина этой постоянной была больше).
Итак, твердо установлено, что около 13 миллиардов лет тому назад произошел Большой взрыв. Более того, прослежена последовательность событий, начинающихся с расширения очень плотного вещества. Это вещество было и очень горячим, поэтому принято говорить о теории “горячей” Вселенной. Расширение сопровождается не только уменьшением плотности, но и понижением температуры. На основе известных нам законов физики можно надежно проследить, какие процессы происходили во Вселенной начиная с того момента, когда температура вещества составляла около 1013 градусов, плотность была 1033 г/см3, давление 1053 H/м2=1048 атм. При этих условиях вещество представляло собой “суп” из всевозможных частиц и античастиц. “Тяжелые” частицы и античастицы в основном аннигилируют, “выживают” кванты электромагнитного излучения (фотоны) и нейтрино. Количество вещества в “супе” немного превосходило количество антивещества. Поэтому выживает и небольшое (по сравнению с фотонами и нейтрино) количество протонов, нейтронов и электронов. Выжившие нейтроны с частью протонов соединяются в ядра гелия. Гораздо позже (через примерно 300 000 лет) протоны и ядра гелия соединяются с электронами, превращаясь в нейтральные атомы. Расчетное количество образующегося гелия хорошо совпадает с тем, которое наблюдается. Это укрепляет нашу уверенность в правильности теории горячей Вселенной.
Для иллюстрации закона Хаббла на рисунке слева показано распределение скоростей убегающих галактик с точки зрения наблюдателя, находящегося в нашей Галактике (0). На рисунке справа приведено распределение скоростей тех же галактик, но с точки зрения наблюдателя, находящегося в галактике 3. Стрелки, изображающие скорости, на обоих рисунках направлены от наблюдателя, а их длины пропорциональны расстояниям от наблюдателя до соответствующих галактик
Общее расширение между тем продолжается. Фотоны остаются равномерно распределенными в пространстве и до настоящего времени. Они-то и образуют уже упоминавшийся выше космический фон радиоизлучения — реликтовое излучение.
Атомы же, наряду с общим расширением, образуют местные “сгущения” — звезды, квазары, галактики, скопления галактик. Тяжелые элементы рождаются позже - в процессах ядерного горения в звездах. При взрывах звезд они выбрасываются и начинают свое путешествие внутри галактик, часть их попадает в Звезды второго поколения (Солнце!) и в планеты (Земля!). Общее число атомов тяжелых элементов, однако, невелико.
Такова история эволюции Вселенной в самом кратком очерке. Уверенность в том, что эта картина эволюции в целом правильна, не исключает необходимостей дальнейшей трудной работы, в ходе которой возможны и открытия, и ошибки.
Необходимо, например, подробно исследовать последнюю стадию, связанную с образованием отдельных небесных тел и галактик и с их расположением в пространстве. Один из центральных вопросов космологии — это вопрос о том, какова сегодняшняя структура Вселенной и как эта структура образовалась. Сюда же относятся вопросы о происхождении скоплений и сверхскоплений галактик. Ответы на эти вопросы зависят от начальной малой неоднородности плотности, которую потом тяготение усиливало.
Усиление неоднородности плотности проявляется в сгущении, сжатии газообразного вещества. В трехмерном пространстве “газовое облако” могло бы сжиматься в каждом из трех взаимно перпендикулярных направлений. Однако одновременное сильное сжатие вдоль двух или трех осей — явление нехарактерное. Как правило, сжатие каждого “облака” происходит в одном выделенном направлении. Такой процесс приводит к образованию тонких слоев, их называют “блинами”. Плотность вещества внутри этих слоев увеличивается по мере их сжатия. При падении новых порций газа на уже образовавшиеся “блины” они разогреваются и разрастаются в направлении своей плоскости. На более поздних стадиях “блины” начинают пересекаться. В результате формируется сложная ячеистая структура, напоминающая пчелиные соты. В этой структуре слои сжатого газа окружены областями, где газа практически нет. Размеры отдельных ячеек достигают сотен мегапарсеков, а их “стенки” образуются сильно уплощенными сверхскоплениями. Именно в “блинах” происходит рождение отдельных звезд, галактик и их скоплений.
Образование структуры описывается уравнением, определяющим положение частиц вещества в произвольный момент времени t. Если задавать положение частицы и некоторой системе отсчета вектором Х, то уравнение имеет вид
X= t2/3х + t1/3v(x),
где х — вектор, определяющий начальное положение частицы (при t = 0).
Первое слагаемое в правой части этого уравнения описывает общее расширение Вселенной. Функция v(х) падает начальные возмущения для частицы, которой соответствует вектор х, второе слагаемое и целом характеризует рост возмущений со временем. Векторы х и v(х) таковы, что размерности обоих слагаемых в правой части уравнения совпадают с размерностью вектора Х (понятно, что при такой записи размерность х не совпадает с размерностью X). Анализ написанного уравнения требует в общем случае сложных расчетов на современных вычислительных машинах.
Попробуйте сами проанализировать более простой случай, когда мы имеем дело со свободным движением вдоль одной прямой:
X = x+tv(x)
Здесь Х — положение частицы в произвольный момент времени, х — начальное положение частицы, v(x) — начальное возмущение. Найдите распределения частиц, их скоростей и плотности по оси Х в различные моменты времени t. Начальную плотность (при t = 0) можно считать постоянной. Заметьте, что в атом случае размерности х и Х совпадают, a t>(x) имеет смысл скорости.
Проблема структуры тесно связана с тем, какие еще частицы (кроме атомных ядер, электронов, фотонов) содержатся во Вселенной и определяют ее среднюю плотность. Проблема “скрытой массы”, уже упоминавшаяся выше, как и проблема структуры Вселенной, требует еще очень большой работы астрономов-наблюдателей. Нужно также, чтобы физики, занимающиеся элементарными частицами, закончили составление полного каталога частиц с указанием их масс и других свойств.
Есть и другая сторона вопроса: что из себя представляет вся Вселенная, Вселенная как целое? Общая теория относительности Эйнштейна говорит о том, что геометрия пространства не подчиняется законам Евклида. Пространство в целом может быть замкнутым, иметь ограниченный объем и в то же время не иметь границ. Говоря про такую возможность, всегда пользуются двумерной аналогией: поверхность шара имеет вполне определенную площадь, она замкнута, но не имеет границ, все ее точки равноценны. Вместе с тем, малая часть сферы по своим геометрическим свойствам очень близка к малой части плоскости. Ответ на вопрос о том, замкнута ли Вселенная, тоже связан с тем, как велика “скрытая масса”.
Подчеркнем еще раз, что решение всех этих сложных задач не изменит в целом того сценария расширения, который был изложен выше.
Существуют еще и более глубокие и трудные вопросы о том, что представляет собой начальное состояние с высокой температурой и плотностью, откуда оно взялось, почему Вселенная расширяется.
Мы говорили выше о Большом взрыве. Но Большой взрыв Вселенной очень не похож на взрыв даже самой большой бомбы. Заряд из обычного взрывчатого вещества в результате химической реакции превращается в газ с давлением в сотни тысяч атмосфер. Этот газ окружен воздухом с давлением в одну атмосферу. Разность давлений газа и окружающей атмосферы представляет собой ту силу, которая вызывает движение газа и окружающего воздуха, расширение газа и весь комплекс явлений, который называется взрывом. Между тем в Большом взрыве Вселенной с хорошей точностью плотность, температура и давление одинаковы во всех точках пространства в один и тот же момент времени.
Большой взрыв — результат определенного начального распределения скоростей в горячем веществе. Разлет частиц происходит по инерции. Высокое давление отнюдь не ускоряет разлет, а силы тяготения даже замедляют его. С самого начала относительная скорость разлета любых двух малых объемов вещества пропорциональна расстоянию между ними, другими словами, с самого начала “работает” закон Хаббла. Для объяснения всего того, что происходит позже, в теории Большого взрыва нужны очень специфические начальные условия.
Только в последние годы наметились ответы на вопросы о том, как же получаются эти начальные условия, что приводит к расширению Вселенной. Ответы эти связаны с тем, что современная теория допускает возможность существования состояния с отрицательным давлением, а в этом состоянии гравитационные силы вызывают отталкивание вместо обычного притяжения. Тем, кто не захочет поверить мне на слово, придется сначала серьезно изучить общую теорию относительности.
Мы коснулись в этой статье только некоторых вопросов, связанных с историей и эволюцией Вселенной. Законченная теория возникновения Вселенной пока еще не создана, космология при всех ее успехах отнюдь не завершена. Она имеет определенные хорошо сформулированные проблемы, ожидающие систематической исследовательской работы. Чтобы развивать космологию дальше, необходимы более совершенные наблюдения, прогресс физической теории и большая научная смелость.
Я. Зельдович
“Квант” 1984 год.
Вверх
Солнечное
