Где мы?

где мы?

Если вы ночью увидите человека, считающего звезды, не смейтесь над ним. Он совсем не стремится объять необъятное, он просто добывает знания. Даже в ясную безлунную ночь он насчитает их не более 2–3 тысяч. Счет заметно усложнится при вооружении глаз биноклем. Число различимых светил возрастет до десятка тысяч. Пойдем дальше. Заменим бинокль мощным современным телескопом, а глаз — высокочувствительной фотопластинкой. Число различимых светящихся точек на небе фантастически возрастет. Оно станет равным 3 000 000 000. Три миллиарда звезд!
 
Такие числа мы будем записывать принятым компактным способом, который сводится к счету числа нулей и записи их в виде степени числа 10. Вместо 100 будет 10^2, вместо 50 000 будет 5 · 10^4. Следовательно, наше число различимых звезд примет совсем скромный (лишь по записи!) вид — 3 · 10^9.

Но это еще не все. Подавляющее число звезд из-за своей удаленности не различается телескопами. Они нам кажутся лишь в виде светящихся звездных скоплений, туманностей и т. д. Поэтому общее число звезд можно приблизительно оценить только с помощью статистических методов. Эти методы дают общее число звезд, равное 10^21! (Речь идет, конечно, только о видимой части вселенной.)
 
Дадим каждой из этих звезд нежное имя или скучный номер и попытаемся занести их в единую книгу. Сколько страниц содержал бы этот звездный справочник? Их оказалось бы больше, чем страниц во всех книгах, напечатанных на нашей планете за всю историю человечества. Знаменитый однотомный словарь Вебстера, содержащий 600 тысяч слов на 3500 страницах, рядом с этим космическим справочником выглядел бы песчинкой по сравнению с самой высокой вершиной Земли — Джомолунгмой. Несмотря на такое количество звезд, непосильное нашему воображению, главное качество вселенной все же пустота. На каждый кубический сантиметр вещества приходится 10^30 кубических сантиметров почти пустого пространства.
 
Это есть следствие гигантских просторов вселенной. Так, наиболее удаленные от Земли звезды и их скопления расположены настолько далеко, что их лучи достигают наших телескопов спустя миллиарды лет.
В связи с огромными расстояниями, разделяющими звезды, встает естественный вопрос: связаны ли как-то звезды между собой или это просто хаотически разбросанные в пространстве изолированные сгустки материи?
Оказывается, звезды группируются в огромные системы, именуемые галактиками (пишутся с малой буквы). Но одна такая система гордо пишется с большой буквы. Этой счастливицей является Галактика, в которой обитаем мы с вами, читатель.
 
Выделение нашей системы отнюдь не связано с ее исключительностью в семье галактик. Просто своя рубашка оказалась ближе к телу и в земной астрономии.
Наша звездная система — это известный нам с детства Млечный Путь (название происходит от буквального значения греческого слова «галактика» — млечный, молочный). Состоит этот Путь из «млечных» братьев нашего Солнца, которых в этом семействе набралось ни мало ни много, как 10^11.
 
Чем же можно измерить межзвездные расстояния? Ведь земные меры длины здесь безнадежно малы. Человек нашел блестящий выход. Измерителем расстояний стал световой луч. Почему именно он? Потому что луч света, как и радиоволна, движется с предельно возможной в природе скоростью — около 300 000 километров в секунду.
 
Единицей расстояний стал путь, который пробегает световой луч не за секунду, и не за час, и не за сутки, а за… год! Имя этой единице — световой год. Лента с «космической рулетки» в один световой год будет сматываться целый год, если ее начало ухитриться зацепить за световой луч или квант. Но если зацепим начало нашей ленты за современный космический корабль, летящий со второй космической скоростью (11,19 километра в секунду), то ему придется разматывать ленту длиной в один световой год ни много ни мало — 27 000 лет!
 
скорость света

На фоне грандиозной длины в один световой год размеры нашей солнечной системы выглядят более чем скромно. Так, вспышку на Солнце мы видим с запаздыванием всего лишь на 8,3 минуты, время, которое требуется световым лучам для преодоления расстояния Солнце — Земля. Луч этой вспышки достигнет самой удаленной планеты — Плутония — меньше чем за 6 часов.
 
Выразим световой год в привычных для людей, путешествующих по земному шару, километрах. Умножая расстояние, пробегаемое световым лучом в секунду, на число секунд в году, находим, что световой год равен 9,5 · 10^12 километров, то есть почти десять тысяч миллиардов километров.
 
Возьмем в руки «мерительную рейку» длиной в одни световой год (9,5 · 10^12 километров) и попробуем измерить диаметр нашей Галактики. Оказывается, нам пришлось бы отложить эту рейку 85 тысяч раз. Следовательно, он составляет 85 тысяч световых лет.
 
диаметр галактики

Галактика по современным наблюдениям имеет форму гигантской спирали, толщина которой в 12 раз меньше диаметра. Точное определение ее структуры затруднено тем, что Солнце — одна из звезд этой же системы. Поэтому земляне могут наблюдать Галактику только изнутри и практически только из одной точки пространства (наблюдения с космических кораблей и с разных точек земной орбиты не меняют дела, поскольку при этом наше положение в Галактике меняется ничтожно).
 
Где-то на задворках Галактики, в одном из крайних витков этой спирали, затеряна наша солнечная система, которую когда-то земляне наивно считали центром мироздания.
Наша Галактика окружена другими галактиками. Наблюдения и расчеты для видимой части вселенной показывают, что их число также огромно — 10^10.
Очертания наблюдаемых галактик, часто называемых внегалактическими туманностями, весьма разнообразны.
 
Ближайшая к нам галактика — туманность Андромеды — удалена от нашей «всего лишь» на величину, превышающую миллион световых лет. По красоте и величине она достойна прекрасной дочери Кассиопеи, чье имя она носит. Как все красавицы, Андромеда, естественно, не могла обойтись без внешних украшений. Их роль успешно выполняет свита из четырех существенно меньших звездных систем — спутников. По структуре туманность Андромеды — исполинская звездная спираль, сходная с нашей, но превосходит ее по размерам.
 
Если обратиться снова к нашей аналогии, то галактики можно уподобить огромным городам, разбросанным на колоссальные расстояния друг от друга. В области этих «городов» средняя плотность вещества существенно возрастает. Тяготеющие друг к другу «города» образуют более крупные соединения. Так, наша Галактика вместе с туманностью Андромеды, Магеллановыми Облаками и рядом других объединяются в так называемую Местную систему галактик.
 
Все наблюдаемые галактики образуют колоссальную звездную систему — Метагалактику.
По мере совершенствования приборов и методов наблюдения человек в конце концов охватит всю Метагалактику. Тогда может создаться видимость исчерпания существующих миров.
Но, проникая еще дальше в бесконечные просторы, человек откроет другие метагалактики, другие скопления материи, и так без конца…
Как упражнение к этому разделу давайте вместе, читатель, составим адрес жителя нашей планеты. Письмо пусть следует к нам из области вселенной, лежащей за пределами Метагалактики. Получателем письма пусть будет первая в солнечной системе женщина летчик-космонавт, имя которой вместе с именем Юрия Гагарина перешагнет, наверное, пределы солнечной системы.
Вот этот многоэтажный адрес.

адрес

Это и есть наша «точка стояния» в таинственной стране, имя которой — вселенная. Дальнейшее развитие науки будет ее уточнять и повышать многоэтажность нашего адреса.
Очерченный контур окружающего мира можно назвать «статическим». На самом деле это не так. Все галактики находятся в стремительном движении.

Куда несемся?

Говоря о галактиках, нельзя утаить одно из фундаментальных явлений вселенной — закон всеобщего разбегания галактик. Эта удивительная закономерность была открыта на основании эффекта Допплера. Вспомните традиционный рисунок из учебника физики. На платформе стоит одинокий пассажир. Мимо него мчится паровоз с огромной коптящей трубой. Из гудка вырывается облако пара. Пассажир слышит резкое понижение тона гудка при прохождении паровоза мимо него. Этот же эффект изменения частоты колебаний при движении источника справедлив и для световых волн.
 
Напомним опыт И. Ньютона. Обыкновенный белый свет, проходя через стеклянную призму, разлагается на отдельные цвета, составляющие спектр. Сильней всего преломляются красные лучи, слабее всего — фиолетовые. Между ними расположатся оранжевый, желтый, зеленый, голубой и синий цвета. При изучении спектра различных галактик был обнаружен потрясающий факт. Спектры оказались сдвинуты по отношению к земному в сторону красного цвета. Величина этого сдвига Δ не одинакова у различных галактик. Сдвиг не наблюдался только у нескольких самых близких к нам галактик.

смещение цвета галактик

После ожесточенных дискуссий и тщательных измерений было найдено объяснение: это проявление эффекта Допплера. Галактики удаляются от нас, и это понижает частоту излучаемых ими световых колебаний. Поэтому спектр сдвигается в красную сторону. Если бы они приближались к нам (об этой «страшной» перспективе мы поговорим позже), то спектры сдвигались бы в фиолетовую сторону.
Измерение величины Δ привело ко второму изумительному открытию. Чем больше расстояние r до галактики, тем больше смещен ее спектр в красную сторону.
 
Установлена прямая пропорциональность между расстоянием до галактики r и скоростью ее удаления v. Если одна из галактик находится от нас в 1000 раз дальше, чем другая, то и скорость ее удаления от нас в 1000 раз больше!
 
Следовательно, подсчет скорости удаления любой галактики элементарно прост. Надо лишь умножить расстояние между галактиками на некий постоянный для всех галактик коэффициент, и мы получим скорость их разбегания. Этот коэффициент, определение которого явилось очень сложной задачей и потребовало ряда существенных коррекций, обозначают через H — первая буква фамилии американского астронома Эдвина Хаббла (Hubble). Согласитесь, что это не слишком щедрая дань ученому, открывшему в 1929 году закон разбегания галактик. Поэтому лучше, когда H называют постоянной Хаббла.
Из закона разбегания галактик следует, что когда-то (когда именно, это зависит от значения постоянной Хаббла H) было начало этого разбегания.
 
По одной из самых ходовых гипотез, плазменное облако, породившее все наблюдаемые галактики с невероятно высокой температурой, плотностью и излучением, было некогда сосредоточено в относительно малом объеме (мы еще вернемся и к облаку и к этому «некогда»). Взрыв взрывов этого облака и дал наблюдаемое сегодня разбегание галактик.
Так эффект понижения тона гудка удаляющегося паровоза привел нас к одной из гипотез образования вселенной! Попробуем определить момент этого исторического взрыва. Не останавливаясь на очень любопытных методах определения постоянной Хаббла и истории ее измерения, приведем ее современное уточненное значение:

H = 75 км/сек мпс.

Здесь мпс сокращенное обозначение мегапарсека. Один парсек (пс) составляет почти 3,26 светового года, а один мегапарсек (мпс) равен 106 пс. Это значит, что если взять, например, расстояния между галактиками r = 1 мпс, то скорость их удаления друг от друга составит:
 
V = Н · r = 75 км/сек.

Есть основания считать, что с момента взрывного образования галактик скорость V не претерпевала заметных изменений. Это дает ответ на вопрос: «Когда произошел взрыв?»
Он непосредственно следует из приведенного примера.
 
Две галактики разбежались друг от друга с момента взрыва на расстояние в один мегапарсек. Скорость их разбегания постоянна и равна 75 километрам в секунду. Разделив пройденный путь на скорость разбегания, мы получим время, в течение которого галактики разбегаются, — 15 миллиардов лет (15 · 10^9). Значит, взрыв произошел 15 · 10^9 лет тому назад.
До взрыва степень сжатия материи и ее температура достигали колоссальных значений. Это состояние материи получило название «горячей вселенной».
Вычисленное нами время существования Метагалактики — 15 · 10^9 лет — находит удивительное подтверждение на нашей планете. Процесс распада радиоактивного урана и превращения его в свинец является теми природными часами, которые могут отсчитывать такие колоссальные отрезки времени. Оценка содержания урана и свинца в минералах позволила оценить возраст Земли. Полученное число меньше, но того же порядка, что и возраст Метагалактики.
 
Бег галактик от земного наблюдателя отнюдь не значит, что мы занимаем какое-то центральное положение во вселенной, в Метагалактике. Это можно наглядно пояснить, надувая резиновый шар. Наблюдатель в любой точке на этом шаре будет видеть, что с повышением давления все остальные точки шара от него удаляются, и чем дальше они от него отстоят, тем быстрее удаляются.

раздевание земли

Кроме рассмотренного общего движения галактик, каждая из них имеет еще свое индивидуальное: от нас, к нам и в любом другом направлении. Из-за этого некоторые близкие галактики приближаются к нам, а не удаляются. У них индивидуальная скорость, направленная к нам, больше скорости разбегания (которая на малых расстояниях мала). Так, туманность Андромеды приближается к нашей Галактике со скоростью 143 километра в секунду.
 
Почему явление взаимного удаления галактик так взбудораживает при первом знакомстве? Тут два фактора. Первый — мы знаем от наших далеких предков, что видимая нами картина неба практически та же, что и при постройке египетских пирамид или при битвах Спартака. Второй — скорость разбегания по земным масштабам велика, она в десятки раз больше скорости ракет, преодолевающих могучую силу земного тяготения. Это и создает замешательство — галактики быстро разбегаются, и тем не менее картина неба остается такой, какой была давным-давно! Ларчик открывается просто. Наше земное мышление не всегда управляется с потрясающими расстояниями в Метагалактике. На этой сверхгигантской арене разбегание галактик столь мизерно меняет расстояние между ними на малом интервале существования нашей цивилизации, что прошедший ряд поколений не имел возможности заметить эти изменения.
 
Активный читатель этой книжки (верю, что вероятность такого события заметно больше нуля) легко может убедиться в этом, преодолев элементарные расчеты. Согласно взрывной теории все галактики приблизительно сохраняют ту скорость, которую они получили в момент взрыва или в начале своего разбегания (фактически она замедляется силами взаимного притяжения). Галактики, получившие максимальную скорость в момент вселенского катаклизма, наиболее удалены от нас. Так как в среднем галактики равномерно распределены в окружающем нас пространстве, то они образуют непрерывно расширяющуюся сферу.
 
Самое удивительное, читатель, что мы с вами легко можем определить радиус этого невообразимо гигантского шара. В самом деле, скорость самой «быстроногой» (может — «быстрокрылой») из галактик принципиально не могла превысить скорость света. Следовательно, для предельной оценки мы и возьмем эту скорость. Тогда, умножая ее на время, прошедшее с момента катаклизма, мы получим искомую величину. Ее называют волнующе кратко — радиус мира, который в этом случае будет равен 13 миллиардам световых лет, или 12,3 · 10^22 километров.
Вот с каких предельно удаленных расстояний можно ожидать поступления световых и радиоизлучений в Метагалактике!
 
Теория происхождения вселенной от некогда произошедшего разового взрыва является далеко не единственной. С ней конкурирует теория «пульсирующей» вселенной, оперирующая понятием кривизны пространства и базирующаяся на общей теории относительности. В ней предполагается равномерное распределение масс в пространстве. Анализ сил тяготения в такой системе приводит к выводу, что вселенная не может находиться в «статическом» состоянии. Она должна либо расширяться, либо сжиматься. Получаемая модель допускает чередование этих фаз. В настоящее время вселенная переживает фазу расширения.

«Наука - это попытка привести хаотическое многообразие нашего чувственного опыта в соответствие с некоторой единой системой мышления»

Альберт Энштейн