Пределы видимой вселенной. Невидимая сторона вселенной. Но, вот какая она эта вся Вселенная и как устроена, это пока остается для нас загадкой…

Наш мир, родившийся в процессе Большого взрыва, и поныне расширяется, а объем разделяющего галактики пространства стремительно увеличивается. Скопления галактик, удаляясь друг от друга, тем не менее остаются устойчивыми образованиями с определенными размерами и стабильной структурой. Да и атомы вовсе не набухают в процессе расширения Вселенной, в отличие от свободно летающих фотонов, увеличивающих свою длину волны в процессе перемещения по расширяющемуся пространству. Куда же ушла энергия реликтовых фотонов? Почему мы можем видеть квазары, удаляющиеся от нас со сверхсветовой скоростью? Что такое темная энергия? Почему доступная нам часть Вселенной все время сокращается? Это лишь часть вопросов, над которыми думают сегодня космологи, стараясь согласовать общую теорию относительности с картиной Мира, наблюдаемой астрономами.

Сфера Хаббла

Согласно закону Хаббла, описывающего расширение Вселенной, радиальные скорости галактик пропорциональны расстоянию до них с коэффициентом Н 0 , который сегодня называется постоянной Хаббла .

Значение Н 0 определяется по наблюдениям галактических объектов, расстояния до которых измерены, главным образом, по ярчайшим звёздам или цефеидам.

Большинство независимых оценок Н 0 дают для этого параметра в настоящее время значение приблизительно около 70 км/с на мегапарсек.

Это означает, что галактики, находящиеся на расстоянии 100 мегапарсек, удаляются от нас со скоростью примерно 7000 км/с.

В моделях расширяющейся Вселенной постоянная Хаббла изменяется со временем, но термин «постоянная» оправдан тем, что в каждый данный момент времени во всех точках Вселенной постоянная Хаббла одинакова.

Величина, обратная постоянной Хаббла, имеет смысл характерного времени расширения Вселенной на текущий момент. Для современного значения постоянной Хаббла, возраст Вселенной оценивается приблизительно в 13,8 млрд лет.

Относительно центра сферы Хаббла скорость расширения пространства внутри нее меньше световой, а вне ее – больше. На самой сфере Хаббла световые кванты как бы вморожены в пространство, которое расширяется там со световой скоростью, и поэтому она становится еще одним горизонтом – горизонтом фотонов .

Если расширение вселенной замедляется, то радиус сферы Хаббла возрастает, поскольку он обратно пропорционален уменьшающемуся хаббловскому параметру. В таком случае по мере старения вселенной эта сфера охватывает все новые и новые области пространства и впускает все новые и новые световые кванты. С течением времени наблюдатель увидит галактики и внутригалактические события, которые ранее находились вне его фотонного горизонта. Если же расширение вселенной ускоряется, то радиус хаббловской сферы, напротив, сокращается.

В космологии говорят о трех важных поверхностях: горизонте событий, горизонте частиц и сфере Хаббла. Две последние являются поверхностями в пространстве, а первая – в пространстве - времени. Со сферой Хаббла мы уже познакомились, поговорим теперь о горизонтах.

Горизонт частиц

Горизонт частиц отделяет наблюдаемые в настоящий момент объекты от ненаблюдаемых.

Из-за конечности скорости света наблюдатель видит небесные объекты такими, какими они были в более или менее отдаленном прошлом. За пределами горизонта частиц лежат галактики, которые в данный момент не наблюдаются ни на едином этапе их предшествующей эволюции. Это означает, что их мировые линии в пространстве-времени нигде не пересекают поверхность, по которой распространяется свет, приходящий к наблюдателю с момента рождения Вселенной. Внутри горизонта частиц расположены галактики, чьи мировые линии в прошлом пересеклись с этой поверхностью. Именно эти галактики и составляют часть Вселенной, в принципе доступную наблюдению в данный момент времени.

Для нерасширяющейся Вселенной размер горизонта частиц растет с возрастом, и рано или поздно все области Вселенной окажутся доступными для изучения. Но в расширяющейся Вселенной это не так. Более того, в зависимости от скорости расширения размер горизонта частиц может зависеть от времени, прошедшего с момента начала расширения, по более сложному закону, чем простая пропорциональность. В частности, в ускоренно расширяющейся Вселенной размер горизонта частиц может стремиться к постоянной величине. Это означает, что есть области принципиально ненаблюдаемые, есть процессы принципиально непознаваемые.

Кроме того, размер горизонта частиц ограничивает размер причинно-связанных областей. Действительно, две пространственные точки, разделенные расстоянием больше размера горизонта, никогда не взаимодействовали в прошлом. Поскольку самое быстрое взаимодействие (обмен лучами света) еще не произошло, то и любое другое взаимодействие исключено. Поэтому никакое событие в одной точке не может иметь в качестве своей причины событие, произошедшее в другой точке. В случае, когда размер горизонта частиц стремится к постоянной величине, Вселенная разбивается на причинно-несвязанные области, эволюция в которых протекает независимо.

Таким образом, нам не дано знать, какова Вселенная за пределами нынешнего горизонта частиц. Некоторые теории ранней Вселенной утверждают, что очень далеко за этим горизонтом она совсем не похожа на то, что мы видим. Этот тезис вполне научен, поскольку он вытекает из вполне разумных вычислений, однако его нельзя ни опровергнуть, ни подтвердить с помощью астрономических наблюдений, доступных в наше время, Более того, если пространство и дальше будет расширяться с ускорением, его нельзя будет проверить и в сколь угодно отдаленном будущем.

Источники на горизонте частиц имеют бесконечное красное смещение. Это самые древние фотоны, которые хотя бы теоретически можно сейчас «увидеть». Они были излучены практически в момент Большого взрыва. Тогда размер видимой сегодня части Вселенной был крайне мал, а значит, с тех пор все расстояния очень сильно выросли. Отсюда и возникает бесконечное красное смещение. Конечно, на самом деле мы не можем увидеть фотоны с самого горизонта частиц. Вселенная в годы своей молодости была непрозрачной для излучения. Поэтому фотоны с красным смещением больше 1 000 не наблюдаются. Если в будущем астрономы научатся регистрировать реликтовые нейтрино, то это позволит заглянуть в первые минуты жизни Вселенной, соответствующие красному смещению – Зх10 7 . Еще большего прогресса можно будет достичь при детектировании реликтовых гравитационных волн, добравшись до «планковских времен» (10 -43 секунд с начала взрыва). С их помощью можно будет заглянуть в прошлое настолько далеко, насколько это в принципе возможно с помощью известных на сегодня законов природы. Вблизи начального момента большого взрыва общая теория относительности уже неприменима.

Горизонт событий

Горизонт событий – это поверхность в пространстве-времени . Такой горизонт возникает не во всякой космологической модели. Например, в замедляющейся Вселенной горизонта событий нет – любое событие из жизни удаленных галактик можно увидеть, если достаточно долго подождать. Смысл введения этого горизонта в том, что он отделяет события, которые могут повлиять на нас хотя бы в будущем, от тех, которые никак повлиять на нас не смогут. Если даже световой сигнал о событии не доходит до нас, то и само событие не может оказать на нас влияние. Почему такое возможно? Причин может быть несколько. Самая простая – модель с «концом света». Если будущее ограничено во времени, то ясно, что свет от каких-то далеких галактик дойти до нас просто не сумеет. Большинство современных моделей такой возможности не предусматривают. Есть, правда, версия грядущего Большого разрыва (Big Rip), но она не очень популярна в научных кругах. Зато есть другой вариант – расширение с ускорением.

Недавнее открытие того факта, что Вселенная сейчас расширяется с ускорением, буквально взбудоражило космологов. Причин такого необычного поведения нашего мира может быть две: либо основным «наполнителем» нашей Вселенной является не обычное вещество, а неведомая материя с необычными свойствами (так называемая темная энергия), либо (еще страшнее подумать!) нужно изменять уравнения общей теории относительности. Да еще почему-то человечеству довелось жить в тот краткий по космологическим масштабам период, когда замедленное расширение только-только сменилось ускоренным. Все эти вопросы еще очень далеки от своего разрешения, но уже сегодня можно обсудить то, как ускоренное расширение (если оно будет продолжаться вечно) изменит нашу Вселенную и создаст горизонт событий . Оказывается, что жизнь далеких галактик, начиная с того момента, как они наберут достаточно большую скорость убегания, для нас остановится и их будущее станет нам неизвестно – свет от целого ряда событий просто никогда до нас не дойдет. Со временем, в достаточно далеком будущем, все галактики, не входящие в наше локальное сверхскопление размером 100 мегапарсек, скроются за горизонтом событий.

Прошлое и будущее

«Над проблемами горизонта я задумался еще в аспирантуре, причем даже не по собственной инициативе, - рассказывает профессор Вольфганг Риндлер, который до сих пор преподает физику в Техасском университете в Далласе. - Тогда была в большой моде теория Вселенной, известная как космология стабильного состояния - Steady State Cosmology. Мой научный руководитель ввязался в ожесточенный спор с авторами этой теории и предложил мне разобраться в существе разногласий. Я не стал отказываться от предложенной задачи, и в результате появилась моя работа о космологических горизонтах.

По словам профессора Риндлера, существует очень понятная интерпретация обоих горизонтов нашего мира: «Горизонт событий образован световым фронтом, который в пределе сойдется на нашей Галактике, когда возраст Вселенной возрастет до бесконечности. Напротив, горизонт частиц соответствует световому фронту, испущенному в момент Большого взрыва. Фигурально выражаясь, горизонт событий очерчивается самым последним из световых фронтов, достигающих нашей Галактики, а горизонт частиц - самым первым. Из такого определения становится понятным, что

горизонт частиц задает максимальное расстояние, с которого в нашу нынешнюю эпоху можно наблюдать произошедшее в прошлом. Горизонт событий, напротив, фиксирует максимальную дистанцию, откуда можно получить информацию о бесконечно отдаленном будущем.

Это действительно два разных горизонта, которые необходимы для полного описания эволюции мироздания».

Доктор педагогических наук Е. ЛЕВИТАН, действительный член Российской академии естественных наук

Наука и жизнь // Иллюстрации

Одна из лучших современных астрофизических обсерваторий - Европейская южная обсерватория (Чили). На снимке: уникальный инструмент этой обсерватории - "Телескоп новых технологий" (NТТ).

Фотография обратной стороны 3,6-метрового главного зеркала "Телескопа новых технологий".

Спиральная галактика NGC 1232 в созвездии Эридана (расстояние до нее около 100 млн световых лет). Размер - 200 световых лет.

Перед вами огромный, возможно, раскаленный до сотен миллионов градусов по Кельвину газовый диск (его диаметр около 300 световых лет).

Странный, казалось бы, вопрос. Разумеется, мы видим и Млечный Путь и другие, более близкие к нам звезды Вселенной. Но вопрос, поставленный в заглавии статьи, на самом-то деле не так уж прост, а потому постараемся разобраться в этом.

Яркое Солнце днем, Луна и звездная россыпь на ночном небе всегда привлекали к себе внимание человека. Судя по наскальным рисункам, на которых древнейшие живописцы запечатлели фигуры наиболее приметных созвездий, уже тогда люди, по крайней мере наиболее любознательные из них, вглядывались в таинственную красоту звездного неба. И уж конечно проявляли интерес к восходу и заходу Солнца, к загадочным изменениям вида Луны... Вероятно, так зарождалась "примитивно-созерцательная" астрономия. Произошло это на много тысяч лет раньше, чем возникла письменность, памятники которой стали для нас уже документами, свидетельствующими о зарождении и развитии астрономии.

Сначала небесные светила, может быть, были только предметом любопытства, потом - обожествления и, наконец, стали помогать людям, выполняя роль компаса, календаря, часов. Серьезным поводом для философствования о возможном устройстве Вселенной могло стать открытие "блуждающих светил" (планет). Попытки разгадать непонятные петли, которые описывают планеты на фоне якобы неподвижных звезд, привели к построению первых астрономических картин или моделей мира. Апофеозом их по праву считается геоцентрическая система мира Клавдия Птолемея (II век н. э.). Древние астрономы пытались (в основном безуспешно) определить (но еще не доказать!), какое место Земля занимает по отношению к семи известным тогда планетам (таковыми считались Солнце, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн). И только Николаю Копернику (1473-1543) это наконец удалось.

Птолемея называют создателем геоцентрической, а Коперника - гелиоцентрической системы мира. Но принципиально эти системы отличались только содержащимися в них представлениями о расположении Солнца и Земли по отношению к истинным планетам (Меркурию, Венере, Марсу, Юпитеру, Сатурну) и к Луне.

Коперник, по существу, открыл Землю как планету, Луна заняла подобающее ей место спутника Земли, а центром обращения всех планет оказалось Солнце. Солнце и движущиеся вокруг него шесть планет (включая Землю) - это и была Солнечная система, какой ее представляли в XVI веке.

Система, как мы теперь знаем, далеко не полная. Ведь в нее кроме известных Копернику шести планет входят еще Уран, Нептун, Плутон. Последний был открыт в 1930 году и оказался не только самой далекой, но и самой маленькой планетой. Кроме того, в Солнечную систему входят около сотни спутников планет, два пояса астероидов (один - между орбитами Марса и Юпитера, другой, недавно открытый, - пояс Койпера - в области орбит Нептуна и Плутона) и множество комет с разными периодами обращения. Гипотетическое "Облако комет" (что-то вроде сферы их обитания) находится, по разным оценкам, на расстоянии порядка 100-150 тысяч астрономических единиц от Солнца. Границы Солнечной системы соответственно многократно расширились.

В начале 2002 года американские ученые "пообщались" со своей автоматической межпланетной станцией "Пионер-10", которая была запущена 30 лет назад и успела улететь от Солнца на расстояние 12 млрд километров. Ответ на радиосигнал, посланный с Земли, пришел через 22 ч 06 мин (при скорости распространения радиоволн около 300 000 км/сек). Учитывая сказанное, "Пионеру-10" еще долго придется лететь до "границ" Солнечной системы (конечно, достаточно условных!). А дальше он полетит к ближайшей на его пути звезде Альдебаран (самая яркая звезда в созвездии Тельца). Туда "Пионер-10", возможно, домчится и доставит заложенные в нем послания землян только через 2 млн лет...

От Альдебарана нас отделяют не менее 70 световых лет. А расстояние до самой близкой к нам звезды (в системе a Центавра) всего 4,75 светового года. Сегодня даже школьникам надлежит знать, что такое "световой год", "парсек" или "мегапарсек". Это уже вопросы и термины звездной астрономии, которой не только во времена Коперника, но и много позже просто не существовало.

Предполагали, что звезды - далекие светила, но природа их была неизвестна. Правда, Джордано Бруно, развивая идеи Коперника, гениально предположил, что звезды - это далекие солнца, причем, возможно, со своими планетными системами. Правильность первой части этой гипотезы стала совершенно очевидной только в XIX веке. А первые десятки планет около других звезд были открыты лишь в самые последние годы недавно закончившегося XX века. До рождения астрофизики и до применения в астрономии спектрального анализа к научной разгадке природы звезд просто невозможно было приблизиться. Вот и получалось, что звезды в прежних системах мира почти никакой роли не играли. Звездное небо было своеобразной сценой, на которой "выступали" планеты, а о природе самих звезд особо не задумывались (иногда упоминали о них, как... о "серебряных гвоздиках", воткнутых в твердь небесную). "Сфера звезд" была своеобразной границей Вселенной и в геоцентрической и в гелиоцентрической системе мира. Вся Вселенная, естественно, считалась видимой, а то, что за ее пределами, - "царствие небесное"...

Сегодня мы знаем, что невооруженным глазом видна лишь ничтожная часть звезд. Белесоватая полоса, протянувшаяся через все небо (Млечный Путь), оказалась, как догадывались еще некоторые древние греческие философы, множеством звезд. Наиболее яркие из них Галилей (в начале XVII века) различил даже с помощью своего весьма несовершенного телескопа. По мере увеличения размеров телескопов и их совершенствования астрономы получали возможность постепенно проникать в глубь Вселенной, как бы зондируя ее. Но далеко не сразу стало понятно, что звезды, наблюдаемые в разных направлениях неба, имеют какое-то отношение к звездам Млечного Пути. Одним из первых, кому удалось это доказать, был английский астроном и оптик В. Гершель. Поэтому с его именем связывают открытие нашей Галактики (ее иногда так и называют - Млечный Путь). Однако увидеть целиком нашу Галактику простому смертному, видимо, не дано. Конечно, достаточно заглянуть в учебник астрономии, чтобы обнаружить там ясные схемы: вид Галактики "сверху" (с отчетливой спиральной структурой, с рукавами, состоящими из звезд и газово-пылевой материи) и вид "сбоку" (в этом ракурсе наш звездный остров напоминает двояковыпуклую линзу, если не вдаваться в некоторые детали строения центральной части этой линзы). Схемы, схемы... А где же хотя бы одна фотография нашей Галактики?

Гагарин был первым из землян, кто увидел нашу планету из космического пространства. Теперь, наверное, каждый видел фотографии Земли из космоса, переданные с борта искусственных спутников Земли, с автоматических межпланетных станций. Сорок один год минул со времени полета Гагарина, и 45 лет со дня запуска первого ИСЗ - начала космической эры. Но и поныне никто не знает, сможет ли когда-нибудь человек увидеть Галактику, выйдя за ее пределы... Для нас это вопрос из области фантастики. А потому вернемся к реальности. Но только при этом, пожалуйста, подумайте о том, что всего лишь лет сто назад нынешняя реальность могла показаться самой невероятной фантастикой.

Итак, открыты Солнечная система и наша Галактика, в которой Солнце - одна из триллионов звезд (невооруженным глазом на всей небесной сфере видно около 6000 звезд), а Млечный Путь - проекция части Галактики на небесную сферу. Но подобно тому, как в XVI веке земляне поняли, что наше Солнце - самая рядовая звезда, мы теперь знаем, что наша Галактика - одна из множества ныне открытых других галактик. Среди них, как и в мире звезд, есть гиганты и карлики, "обычные" и "необычные" галактики, относительно спокойные и чрезвычайно активные. Они находятся на громадных расстояниях от нас. Свет от самой близкой из них мчится к нам почти два миллиона триста тысяч лет. А ведь эту галактику мы видим даже невооруженным глазом, она в созвездии Андромеды. Это очень большая спиральная галактика, похожая на нашу, и поэтому ее фотографии в какой-то степени "компенсируют" отсутствие снимков нашей Галактики.

Почти все открытые галактики удается рассмотреть лишь на фотографиях, полученных с помощью современных наземных телескопов-гигантов или космических телескопов. Применение радиотелескопов и радиоинтерферометров помогло существенно дополнить оптические данные. Радиоастрономия и внеатмосферная рентгеновская астрономия приоткрыли завесу над тайной процессов, происходящих в ядрах галактик и в квазарах (самых далеких из известных ныне объектов нашей Вселенной, почти неотличимых от звезд на фотографиях, полученных с помощью оптических телескопов).

В чрезвычайно огромном и практически скрытом от глаз мегамире (или в Метагалактике) удалось открыть его важные закономерности и свойства: расширение, крупномасштабную структуру. Все это несколько напоминает другой, уже открытый и во многом разгаданный микромир. Там исследуются совсем близкие к нам, но тоже невидимые кирпичики мироздания (атомы, адроны, протоны, нейтроны, мезоны, кварки). Познав устройство атомов и закономерности взаимодействия их электронных оболочек, ученые буквально "оживили" Периодическую систему элементов Д. И. Менделеева.

Самое важное то, что человек оказался способным открыть и познать непосредственно не воспринимаемые им миры различных масштабов (мегамир и микромир).

В этом контексте астрофизика и космология вроде бы не оригинальны. Но тут мы приближаемся к самому интересному.

"Занавес" издавна известных созвездий открылся, унося с собой последние потуги нашего "центризма": геоцентризма, гелиоцентризма, галактикоцентризма. Мы сами, как и наша Земля, как Солнечная система, как Галактика, - всего лишь "частицы" невообразимой по обыденным масштабам и по сложности структуры Вселенной, именуемой "Метагалактика". Она включает в себя множество систем галактик разной сложности (от "двойных" до скоплений и сверхскоплений). Согласитесь, что при этом осознание масштаба собственной ничтожной величины в необъятном мегамире не унижает человека, а, наоборот, возвышает мощь его Разума, способного открыть все это и разобраться в том, что было открыто ранее.

Казалось бы, пора и успокоиться, поскольку современная картина строения и эволюции Метагалактики в общих чертах создана. Однако, во-первых, она таит в себе много принципиально нового, ранее неведомого для нас, а во-вторых, не исключено, что кроме нашей Метагалактики есть и другие мини-вселенные, образующие пока еще гипотетическую Большую Вселенную...

Может быть, на этом стоит пока остановиться. Потому что нам бы сейчас, как говорится, со своей Вселенной разобраться. Дело в том, что она в конце ХХ века преподнесла астрономии большой сюрприз.

Тем, кто интересуется историей физики, известно, что в начале ХХ века некоторым великим физикам показалось, будто бы их титанический труд завершен, ибо все главное в этой науке уже открыто и исследовано. Правда, на горизонте оставалась пара странных "облачков", но мало кто предполагал, что они вскоре "обернутся" теорией относительности и квантовой механикой... Неужели что-то подобное ожидает астрономию?

Вполне вероятно, потому что наша Вселенная, наблюдаемая с помощью всей мощи современных астрономических инструментов и вроде бы уже довольно основательно изученная, может оказаться лишь вершиной вселенского айсберга. А где же его остальная часть? Как могло возникнуть столь дерзкое предположение о существовании еще чего-то громадного, материального и совершенно доселе неизвестного?

Вновь обратимся к истории астрономии. Одной из ее триумфальных страниц было открытие планеты Нептун "на кончике пера". Гравитационное воздействие какой-то массы на движение Урана натолкнуло ученых на мысль о существовании неизвестной еще планеты, позволило талантливым математикам определить ее местоположение в Солнечной системе, а потом точно указать астрономам, где ее искать на небесной сфере. И в дальнейшем гравитация оказывала астрономам подобные услуги: помогала открывать разные "диковинные" объекты - белых карликов, черные дыры. Так вот и теперь исследование движения звезд в галактиках и галактик в их скоплениях привело ученых к выводу о существовании таинственного невидимого ("темного") вещества (а может быть, вообще какой-то неведомой нам формы материи), и запасы этого "вещества" должны быть колоссальными.

По наиболее смелым оценкам, все то, что мы наблюдаем и учитываем во Вселенной (звезды, газово-пылевые комплексы, галактики и т. д.), составляет лишь 5 процентов от массы, которая "должна была бы быть" по расчетам, основанным на законах гравитации. Эти 5 процентов включают весь известный нам мегамир от пылинок и распространенных в космосе атомов водорода до сверхскоплений галактик. Некоторые астрофизики относят сюда даже всепроникающие нейтрино, считая, что, несмотря на их небольшую массу покоя, нейтрино своим бессчетным количеством вносят определенный вклад все в те же 5 процентов.

Но, может быть, "невидимое вещество" (или по крайней мере часть его, неравномерно распределенная в пространстве) - это масса потухших звезд или галактик либо таких невидимых космических объектов, как черные дыры? В какой-то мере подобное допущение не лишено смысла, хотя недостающие 95 процентов (или, по другим оценкам, 60-70 процентов) восполнить не удастся. Астрофизики и космологи вынуждены перебирать различные другие, в основном гипотетические, возможности. Наиболее фундаментальные идеи сводятся к тому, что значительная часть "скрытой массы" - это "темное вещество", состоящее из не известных нам элементарных частиц.

Дальнейшие исследования в области физики покажут, какие элементарные частицы кроме тех, которые состоят из кварков (барионы, мезоны и др.) или являются бесструктурными (например, мюоны), могут существовать в природе. Разгадать эту загадку будет, вероятно, легче, если объединить силы физиков, астрономов, астрофизиков, космологов. Немалые надежды возлагаются на данные, которые могут быть получены уже в ближайшие годы в случае успешных запусков специализированных космических аппаратов. Например, планируется запустить космический телескоп (диаметр 8,4 метра). Он сможет зарегистрировать огромное число галактик (до 28-й звездной величины; напомним, что невооруженным глазом видны светила до 6-й звездной величины), а это позволит построить карту распределения "скрытой массы" по всему небу. Из наземных наблюдений тоже можно извлечь определенную информацию, поскольку "скрытое вещество", обладая большой гравитацией, должно искривлять лучи света, идущие к нам от далеких галактик и квазаров. Обрабатывая на компьютерах изображения таких источников света, можно зарегистрировать и оценить невидимую гравитирующую массу. Подобного рода обзоры отдельных участков неба уже сделаны. (См. статью академика Н. Кардашева "Космология и проблемы SETI", недавно опубликованную в научно-популярном журнале президиума РАН "Земля и Вселенная", 2002, № 4.)

В заключение вернемся к вопросу, сформулированному в названии данной статьи. Думается, что после всего сказанного вряд ли на него можно уверенно дать положительный ответ... Древнейшая из самых древних наук - астрономия только начинается.

Шкала расстояний Вселенной

Поскольку Вселенная расширяется, на вопрос о расстояниях до очень далеких галактик трудно ответить. Все зависит от вашей точки зрения.

Туманность Омега

Туманность Орел

Скопление Антлия

Вот в чём заключается проблема определения расстояний в расширяющейся Вселенной: две галактики находятся рядом друг с другом, когда возраст Вселенной - всего 1 миллиард лет. Первая галактика излучает световой импульс. Вторая галактика не воспринимает данный импульс до тех пор, пока Вселенной не исполнится 14 миллиардов лет.

К этому моменту данные галактики разделяет порядка 26 миллиардов световых лет; световой импульс находится в пути в течение 13 миллиардов лет; и картинка, которую получают люди во второй галактике - это образ первой галактики на момент, когда её возраст составлял всего лишь один миллиард лет и когда она находилась на удалении всего 2 миллиарда световых лет.

В космологии общепринятыми являются четыре различные шкалы расстояний:

(1) Фотометрическое расстояние - DL

В расширяющейся Вселенной удалённые галактики намного более трудноразличимы, чем можно было ожидать, поскольку фотоны света растягиваются и развёртываются на обширную зону. Вот почему для того, чтобы разглядеть очень удалённые галактики, требуются огромные телескопы. Наиболее удалённые галактики, видимые через космический телескоп "Хаббл", настолько слабо различимы, что создаётся впечатление, как будто они находятся на удалении порядка 350 миллиардов световых лет, хотя они и находятся намного ближе.

Фотометрическая шкала не отображает реального расстояния, но она применяется для определения того, насколько тусклыми видятся нам очень удалённые галактики.

(2) Расстояние углового диаметра - DA

В расширяющейся Вселенной мы видим галактики у границы видимой Вселенной в тот момент, когда они были очень молодыми, порядка 14 миллиардов лет назад, поскольку свету, чтобы добраться до нас, потребовалось около 14 миллиардов лет.

Однако галактики в то время не только были молодыми, но и располагались намного ближе к нам.

Наиболее слабо различимые галактики, видимые посредством космического телескопа "Хаббл", в момент излучения света находились от нас на удалении всего несколько миллиардов световых лет.

Это означает, что очень удалённые галактики выглядят гораздо более крупными, чем можно было ожидать, как будто они находятся от нас на расстоянии порядка 2 либо 3 миллиардов световых лет (Хотя они тоже выглядят очень-очень тусклыми - см. "Фотометрическое расстояние").

Расстояние углового диаметра - хороший индикатор (особенно в такой плоской галактике, как наша) того, насколько близко к нам находилась определённая галактика, когда излучала свет, который мы видим в данный момент.

(3) Сопутствующее расстояние - DC

Шкала сопутствующего расстояния расширяется вместе со Вселенной. Она даёт нам представление о том, где в настоящее время находятся галактики, несмотря на то, что наблюдаем мы удалённую галактику в том виде, какой она имела, когда была намного младше и меньше. По данной шкале самый дальний край видимой Вселенной в настоящее время находится от нас на удалении 47 миллиардов световых лет, хотя наиболее удалённые галактики, видимые через космический телескоп "Хаббл", находились бы от нас на расстоянии порядка 32 миллиардов световых лет.

Сопутствующее расстояние противоположно расстоянию углового диаметра.

Это расстояние показывает, где галактики находятся в данный момент, а не где они находились, когда излучали свет, который мы видим сейчас.

(4) Аберрационное расстояние - DT

Аберрационное расстояние означает промежуток времени, за который нас достигает свет от удалённых галактик. Именно это и имеется в виду, когда говорят, что видимая Вселенная имеет радиус 14 миллиардов световых лет.

Смысл данного утверждения: возраст Вселенной составляет порядка 14 миллиардов лет, свету же от более удалённых галактик не хватило времени добраться до нас.

Аберрационное расстояние - это в равной степени мера времени и мера расстояния. Основная польза от этой шкалы - она даёт нам представление о возрасте того образа данной галактики, который мы видим в настоящее время.

Для малых расстояний (порядка 2 миллиардов световых лет и меньше) все четыре шкалы расстояний совмещаются и повторяют одна другую, так что определять расстояния до галактик в окружающей нас локальной Вселенной гораздо проще.

Ниже приведены все четыре шкалы расстояний, наложенные на красное смещение. Красное смещение - это мера растягивания света, вызванного расширением Вселенной: галактика с высоким уровнем красного смещения расположена дальше, чем галактика с малым уровнем красного смещения. Наиболее удалённые галактики, видимые через космический телескоп "Хаббл", имеют величину красного смещения 10, в то время как наиболее удалённые протогалактики во Вселенной, вероятно имеют величину красного смещения порядка 15. Граница видимой Вселенной имеет красное смещение на уровне бесконечности. Для сравнения: типичный переносной телескоп не позволяет рассмотреть объекты с красным смещением, значительно превышающим 0.1 (около 1,3 миллиарда световых лет).

Фотометрическое расстояние (DL ) демонстрирует, почему так сложно рассмотреть удалённые галактики: очень молодая и далёкая галактика с уровнем красного смещения 15 кажется удалённой от нас на 560 миллиардов световых лет, хотя расстояние углового диаметра (DA ) показывает, что на момент излучения этой галактикой света, который мы видим сейчас, ей фактически было порядка 2,2 миллиардов световых лет. Аберрационное расстояние (DT ) показывает, что свет от данной галактики путешествовал 13,6 миллиардов лет с момента его излучения до настоящего момента. Сопутствующее расстояние (DC ) показывает, что та же самая галактика сегодня, если бы мы могли видеть её, находилась бы от нас на удалении 35 миллиардов световых лет.

Обычно, когда говорят о размерах Вселенной, подразумевают локальный фрагмент Вселенной (Мироздания) , который доступен нашему наблюдению.

Это так называемая наблюдаемая Вселенная – область пространства, видимая для нас с Земли.

А так как возраст Вселенной около 13 800 000 000 лет, то независимо от того в каком мы направлении смотрим, мы видим свет, который достиг нас за 13,8 миллиарда лет.

Так что, исходя из этого, логично думать, что наблюдаемая Вселенная должна быть 13,8 х 2 = 27 600 000 000 световых лет в поперечнике.

Но это не так! Потому что с течением времени космос расширяется. И те далекие объекты, которые испустили свет 13,8 млрд. лет назад, за это время улетели еще дальше. Сегодня они уже более чем в 46,5 миллиардах световых лет от нас. Удвоив это, получаем 93 миллиарда световых лет.

Таким образом, реальный диаметр наблюдаемой вселенной составляет 93 млрд. св. лет.

Визуальное (в виде сферы) представление трёхмерной структуры наблюдаемой Вселенной, видимой с нашей позиции (центр круга).

Белыми линиями обозначены границы наблюдаемой Вселенной.
Пятнышки света - это скопления скоплений галактик – суперкластеры (supercluster) – самые большие известные структуры в космосе.
Масштабная линейка: одно деление сверху - 1 миллиард световых лет, снизу – 1 миллиард парсек.
Наш дом (в центре) здесь обозначен как Сверхскопление Девы (Virgo Supercluster) – это система, включающая десятки тысяч галактик, в том числе нашу собственную – Млечный Путь (Milky Way).

Более наглядное представление о масштабах обозримой Вселенной даёт следующее изображение:

Схема расположения Земли в наблюдаемой Вселенной – серия из восьми карт

слева направо верхний ряд: Земля – Солнечная система – Ближайшие звезды – Галактика Млечный Путь, нижний ряд: Местная группа галактик – Скопление Девы – Местное Сверхскопление – Обозримая (наблюдаемая) Вселенная.

Чтобы лучше прочувствовать и осознать, о каких колоссальных, не сопоставимых с нашими земными представлениями, масштабах идет речь, стоит посмотреть увеличенное изображение этой схемы в медиа просмотрщике .

А что можно сказать о всей Вселенной? Размер всей Вселенной (Мироздания, Метавселенной), надо полагать, гораздо больше!

Но, вот какая она эта вся Вселенная и как устроена, это пока остается для нас загадкой…

А как насчет центра Вселенной? Наблюдаемая Вселенная имеет центр - это мы! Мы находимся в центре наблюдаемой Вселенной, потому что наблюдаемая Вселенная - это просто участок космоса, видимый нам с Земли.

И подобно тому, как с высокой башни мы видим круглую область с центром в самой башне, также мы видим область космоса с центром от наблюдателя. На самом деле, если говорить точнее, каждый из нас - центр своей собственной наблюдаемой Вселенной.

Но это не значит, что мы находимся в центре всей Вселенной, как и башня - отнюдь не центр мира, а только центр того кусочка мира, который с нее видно - до горизонта.

То же и с наблюдаемой Вселенной.

Когда мы смотрим в небо, мы видим свет, который 13,8 миллиарда лет летел к нам из мест, которые уже в 46,5 миллиардах световых лет от нас.

Мы не видим то, что за этим горизонтом.

Каждый из нас хотя бы раз задумывался, в каком огромном мире мы живем. Наша планета — это безумное количество городов, сел, дорог, лесов, рек. Большинство за свою жизнь не успевает увидеть и половины. Представить грандиозные масштабы планеты сложно, но есть задача еще тяжелее. Размеры Вселенной — вот что, пожалуй, не под силу вообразить даже самому развитому уму. Попробуем разобраться, что думает на этот счет современная наука.

Основное понятие

Вселенная — это все, что нас окружает, о чем мы знаем и догадываемся, что было, есть и будет. Если снизить накал романтизма, то этим понятием определяется в науке все, существующее физически, с учетом временного аспекта и законов, регулирующих функционирование, взаимосвязь всех элементов и так далее.

Естественно, представить себе реальные размеры Вселенной достаточно трудно. В науке этот вопрос является широко обсуждаемым и единого мнения пока нет. В своих предположениях астрономы опираются на существующие теории формирования мира, каким мы его знаем, а также на полученные в результате наблюдения данные.

Метагалактика

Различные гипотезы определяют Вселенную как безразмерное или невыразимо огромное пространство, о большей части которого мы мало что знаем. Для внесения ясности и возможности обсуждения области, доступной для изучения, было введено понятие Метагалактика. Этот термин обозначает часть Вселенной, доступной для наблюдения астрономическими методами. Благодаря совершенствованию техники и знаний она постоянно увеличивается. Метагалактика является частью так называемой наблюдаемой Вселенной — пространства, в котором материя за период своего существования успела достигнуть современного положения. Когда речь заходит о понимании того, каковы размеры Вселенной, в большинстве случаев говорят о Метагалактике. Современный уровень развития техники позволяет наблюдать объекты, расположенные на расстоянии до 15 млрд световых лет от Земли. Время в определении этого параметра играет, как видно, не меньшую роль, чем пространство.

Возраст и размеры

Согласно некоторым моделям Вселенной, она никогда не появлялась, а существует вечно. Однако главенствующая сегодня теория Большого взрыва задает нашему миру «отправную точку». По представлениям астрономов, возраст Вселенной — примерно 13,7 млрд лет. Если переместиться назад во времени, то можно вернуться к Большому взрыву. Независимо от того, бесконечны ли размеры Вселенной, наблюдаемая ее часть имеет границы, поскольку конечна скорость света. В нее входят все те местоположения, которые могут оказывать воздействие на земного наблюдателя со времени Большого взрыва. Размеры наблюдаемой Вселенной увеличиваются благодаря ее постоянному расширению. По последним оценкам, она занимает пространство в 93 миллиарда световых лет.

Множество

Посмотрим, что представляет собой Вселенная. Размеры космического пространства, выраженные в сухих цифрах, конечно, поражают, но трудны для понимания. Для многих будет проще осознать масштабы окружающего мира, если они узнают, сколько систем, подобных Солнечной, умещается в нем.

Наша звезда и окружающие ее планеты лишь крохотная часть Млечного пути. По данным астрономов, Галактика насчитывает примерно 100 миллиардов звезд. У некоторых из них уже обнаружены экзопланеты. Поражают не только размеры Вселенной — уже пространство, занимаемое ее ничтожной частью, Млечным Путем, внушает уважение. Свету для того чтобы пройти нашу галактику, требуется сто тысяч лет!

Местная группа

Внегалактическая астрономия, которая начала развиваться после открытий Эдвина Хаббла, описывает множество структур, схожих с Млечным путем. Ближайшие его соседи — это Туманность Андромеды и Большое и Малое Магеллановы Облака. Вместе с еще несколькими «спутниками» они составляют местную группу галактик. От соседнего аналогичного формирования ее отделяет приблизительно 3 млн световых лет. Даже страшно представить, сколько потребовалось бы современному самолету времени, чтобы преодолеть такое расстояние!

Наблюдаемые

Все местные группы разделены обширным пространством. Метагалактика включает несколько миллиардов структур, аналогичных Млечному пути. Размеры Вселенной действительно поражают. Световому лучу для преодоления расстояния от Млечного пути до Туманности Андромеды требуется 2 млн лет.

Чем дальше от нас расположен участок космоса, тем меньше мы знаем о его современном состоянии. Из-за конечности скорости света ученые могут получить информацию только о прошлом таких объектов. По тем же причинам, как уже было сказано, область Вселенной, доступной для астрономических изысканий, ограничена.

Другие миры

Однако это еще не все поражающее воображения сведения, которыми характеризуется Вселенная. Размеры космического пространства, по-видимому, значительно превосходят Метагалактику и наблюдаемую часть. Теория инфляции вводит такое понятие, как Мультивселенная. Она состоит из множества миров, вероятно, образовавшихся одновременно, не пересекающихся друг с другом и развивающихся независимо. Современный уровень развития техники не дает надежды на познание подобных соседних Вселенных. Одна из причин — все та же конечность скорости света.

Быстрое развитие науки о космосе меняет наше представление о том, каких размеров Вселенная. Современное состояние астрономии, составляющие ее теории и выкладки ученых трудны для понимания непосвященного человека. Однако даже поверхностное изучение вопроса показывает, насколько огромен мир, частью которого мы являемся, и как мало о нем мы еще знаем.