Расширяющаяся Вселенная

В нашем Млечном Пути находится около 100 миллиардов звезд, в основном в диске, вращающемся вокруг центрального сгущения. До 1920-х годов о более удаленных частях Вселенной ничего не было известно, но сейчас мы знаем, что наша Галактика - одна из миллиардов подобных ей.

Большинство галактик находится в группах и скоплениях, которые связаны силами гравитации. Наша Местная Группа, имеющая в поперечнике несколько миллионов световых лет, включает Млечный Путь и Туманность Андромеды, а также 34 меньшие галактики. Эта группа расположена около края скопления в Деве - архипелага из нескольких сотен галактик, центр которого находится на расстоянии 50 миллионов световых лет. Скопления и группы объединяются в еще большие структуры. Так называемая Великая Стена - имеющее форму листа множество галактик на расстоянии около 200 миллионов световых лет - это ближайшее и наиболее выделяющееся из этих гигантских образований.

Возможно, наиболее важный широко известный факт о нашей Вселенной - это то, что все галактики (кроме нескольких близких галактик Местной Группы) удаляются от нас. Более того, красное смещение - мера скорости удаления - больше для слабых, далеких галактик. Мы живем в расширяющейся Вселенной, где с течением времени скопления галактик все дальше удаляются друг от друга, становясь все более редкими в пространстве.

Простое соотношение между красным смещением и расстоянием названо в честь Эдвина Хаббла, который первым установил этот закон в 1929 г. Хаббл мог изучать только относительно близкие галактики, скорость удаления которых была меньше 1% скорости света. Благодаря техническому прогрессу и большим телескопам, в настоящее время такие данные получены для галактик, скорость которых составляет значительную долю скорости света. Концептуально предпочтительно объяснять красное смещение "растяжением" пространства, когда свет проходит через него. Величина красного смещения - другими словами, величина растяжения световых волн - говорит нам, насколько расширилась Вселенная, пока свет дошел до нас.

Модели расширяющейся однородной Вселенной, некоторые из которых были основаны на общей теории относительности Эйнштейна, были разработаны в 1920-х и 30-х годах. Но в то время было мало количественных сведений о том, насколько в действительности однородна наша Вселенная. Еще меньше была возможность выбора между альтернативными моделями.

В настоящее время астрономы наблюдают много скоплений, подобных скоплению в Деве, и много структур, похожих на Великую Стену. Но более глубокие обзоры, по-видимому, не обнаруживают более крупных структур. В куб со стороной 200 миллионов световых лет (это расстояние все еще мало по сравнению с горизонтом наших наблюдений, до которого около 10 миллиардов световых лет) поместятся самые большие структурные образования. Такой куб, в каком бы месте Вселенной его не поместить, будет содержать примерно одинаковое количество галактик, статистически сходным образом сгруппированных в скопления, структуры типа волокон и другие образования.

Даже самые большие наблюдаемые космические структуры малы по сравнению с расстоянием, достижимым для наших телескопов. Это создает возможности для космологических исследований, позволяя нам определять средние свойства нашей Вселенной и использовать простые однородные модели как разумные приближения.

В 1950-х годах Аллен Сэндидж был единственным, кто утверждал, что 5-метровый Паломарский телескоп может исследовать достаточно далекий космос и, следовательно, достаточно отдаленное прошлое, чтобы проверить космологические модели. Чтобы обнаружить изменения скорости расширения или эволюцию населения галактик, необходимо наблюдать объекты, находящиеся так далеко, что свет от них идет до нас миллиарды лет.

За последние 40 лет создание более совершенных, обладающих большими возможностями телескопов и наблюдательной аппаратуры сделали это возможным. Более дюжины телескопов с 4-х метровыми зеркалами были построены в 1970-х и 80-х годах. Замена фотографических пластинок, квантовая эффективность которых не превосходила 1%, на твердотельные детекторы с эффективностью до 80% намного увеличила возможности обнаружения слабых и далеких объектов. Новое поколение еще больших телескопов (первые из них - два телескопа Кека на Гавайях) сейчас вступает в строй. Возможно, самый впечатляющий из них - это Очень Большой телескоп (названный без особого воображения) - группа из четырех телескопов, каждый с зеркалом диаметром 8.2 метра, сооруженный в Чилийских Андах консорциумом европейских стран. Этот инструмент не только собирает больше света, чем все предшествовавшие телескопы, но также должен давать более четкие изображения, компенсируя атмосферные флуктуации и связывая телескопы вместе, чтобы они работали как интерферометр.

Значительный прогресс достигнут в наблюдениях из космоса. Космический телескоп им.Хаббла, который в начале преследовали отсрочки, дефекты и перерасход средств, все же оправдал надежды, которые на него возлагали астрономы. Изображения Хаббловского поля глубокого обзора - полученные непрерывным слежением за маленьким клочком неба в течение нескольких суток - показывают буквально сотни слабых пятнышек, несмотря на то что поле зрения настолько мало, что покрывает на небе меньше 1/100 площади полной Луны. Каждое пятнышко - это целая галактика, размером в тысячи световых лет, которые выглядят такими слабыми и маленькими на огромном расстоянии. Мы наблюдаем эти далекие галактики на очень примитивной стадии эволюции. У них еще очень простой химический состав: очень мало кислорода, углерода и других элементов, из которых состоят планеты, а значит очень малы шансы возникновения жизни.

Теперь у нас есть изображения, которые переносят нас на миллиарды лет назад во времени, в эпоху, когда формировались первые галактики. Возможно, что первые звезды образовались еще раньше, в структурах, меньших чем существующие сейчас галактики, которые не могут обнаружить даже самые большие в настоящее время телескопы.

В начало
"Ископаемые" горячего начала
Должны ли мы верить в сценарий Большого взрыва?
Возникновение структуры
Темная материя, постоянная Омега и первые микросекунды
Вселенная как предмет нашего познания
Литература