Уиггинс. 5 нерешенных проблем науки. Янко Слава (Библиотека FortDa )
 Скачать 5.17 Mb.
|
|
199 Хаббл приступил к определению расстояний до галактик, скорости которых вычислили Слайфер и Хьюмасон. Подход Генриетты Ливитт с использованием светимости цефеид был точен для ближайших галактик, но не годился для более дальних. Цефеиды в таких галактиках были едва различимы. Хаббл изобрел новый способ определения расстояния на основе выделения наиболее яркой звезды галактики. Метод ярчайших звезд позволял оценить расстояние почти до всех галактик из списка Слайфера. Для оставшихся галактик Хаббл при определении расстояния взял за основу общее количество излучаемого ими света. Наблюдение расширения Для выяснения зависимости расстояния от скорости Хаббл вычертил кривую этой зависимости (рис. 6.9). Без учета разброса измерений зависимость оказалась линейной. Одним словом, чем удаленнее галактика, тем быстрее она движется. Строго Рис. 6.9. Исходная кривая Хаббла, отражающая зависимость скорости от расстояния 200 говоря, данная зависимость относилась лишь к выбранным Хабблом галактикам. Однако из нее следовал весьма неожиданный вывод: Вселенная как единое целое расширяется. Чтобы понять, как это происходит, прибегнем к более наглядному сравнению. Вообразим себе космический марафон. После начала забега одни участники бегут со скоростью 4 мили в час, другие — 3, а третьи — 2 мили. Через час бегущие со скоростью 4 мили покроют расстояние в 4 мили со скоростью 3 и 2 мили соответственно, так что получится кривая, построенная Хабблом. Заметим, что с точки зрения любого бегуна все другие от него удаляются. Линейная зависимость между скоростью разбегания и расстоянием ныне носит имя Хаббла. Хотя полученные Хабблом значения расстояний были впоследствии уточнены, сделанные им выводы остаются верными. Вселенная состоит из звездных галактик, она огромна и расширяется. На рис. 6.10 можно увидеть и Эдвина Хаббла, и Альберта Эйнштейна. Когда Эйнштейн ознакомился с работой Хаббла, он исключил космологическую постоянную, введенную им в уравнения общей теории относительности для придания Вселенной стационарного вида, назвав этот показатель «самой грубой ошибкой своей жизни». Как мы увидим, космологическая постоянная может вернуться в качестве возможного решения крупнейшей не решенной астрономией загадки. Обнаружение темной материи Теоретики вскоре поняли, что если расширение Вселенной с ее галактиками вернуть в прошлое, то окажется, что на ранней ступени все вещество и энергия Вселенной находились в очень плотном состоянии. Получившуюся теорию сторонник совсем иного взгляда Фред Хойл [в одном из выступлений по радио в 1950 году] насмешливо Янко Слава (Библиотека Fort/Da ) || http://yanko.lib.ru Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИР- ПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь). 103 назвал большим хлопком. Однако это название благодаря экспериментальному подтверждению так и закрепилось за теорией (см.: Список идей, 16. Большой взрыв). 201 Рис. 6.10. Библиотека Маунт-Вилсоновской обсерватории. Слева направо: Милтон Хъюмасон, Эдвин Хаббл, исследователь Солнца астроном Чарльз Эдуард Сент-Джон, Альберт Абрахам Майкельсон, Альберт Эйнштейн, глава Калифорнийского университета Уильям Уоллес Кэмпбелл и Уолтер Сидни Адамc, директор Маунт-Вилсоновской обсерватории. Позади виден портрет основателя обсерватории Джорджа Хейла. 1931 год Примечательно, что огромное расхождение в отношении масс галактик обнаружили вскоре после обнародования зависимости Хаббла [«красное смещение спектральных линий — расстояние»] и удаления из расчетов космологической постоянной Эйнштейна, но этот вопрос обходили стороной почти 40 лет. Еще более поразительно, что астроном, впервые заметивший эту несообразность, оказался выпускником цюрихского Политехникума, подобно Эйнштейну, и всю жизнь проработал в Калифорнийском технологи- 202 ческом институте (Калтехе — Caltech), Маунт-Вилсоновской и Маунт-Паломарской обсерваториях, как и Хаббл. Его звали Фриц Цвикки. Родившись в Болгарии в 1898 году, Цвикки 6-летним ребенком переехал жить в Швейцарию к дедушке с бабушкой, так и оставшись навсегда гражданином Швейцарии. Не попав на Первую мировую войну по малолетству, Цвикки изучал теоретическую физику в Политехникуме и в докторской диссертации 1922 года использовал законы квантовой механики для изучения кристаллов. В 1925 году Цвикки по Рокфеллеровской стипендии * поехал в США, выбрав местом занятий Калифорнийский технологический институт, поскольку предгорья Пасадены хоть как-то походили на его Альпы. Вопреки ожиданиям своего попечителя Роберта Э. Милликена вместо квантовой механики Цвикки увлекся астрономией. Он стал работать с другим немецкоговорящим астрономом Вальтером Бааде. В начале своего научного пути Цвикки изучал скопление галактик, известное как Волосы Вероники, и обозначенное Мессье номером М100. С помощью доплеровских методов, впервые предложенных Весто Слайфером и опробованных в Маунт- Вилсоновской обсерватории Милтоном Хьюмасоном, Цвикки определил скорости восьми галактик в созвездии Вероники и оценил массу, необходимую для удержания этих галактик полем тяготения внутри самого скопления. Затем он сравнил полученную массу с величиной массы всего скопления, рассчитанной на основе исходящего от него света. Оказалось, что для удержания скопления от разлетания необходима значительно большая масса. Недостающую массу Цвикки назвал темной материей. По его расчетам выходи- * Стипендия Фонда Рокфеллера, филантропической организации, основанной в 1913 по инициативе промышленника и нефтяного магната Джона Дэвисона Рокфеллера. Это самый крупный из фондов семейства Рокфеллеров и второй по величине в США после Фонда Форда. Выплачивается стипендия с 1919 года (сначала американским, а с 1923 года и иностранным учащимся). 203 ло, что в созвездии Вероники темной материи значительно больше, чем обыкновенного вещества. Столь тревожного вывода другие астрофизики не замечали почти 40 лет, возможно, из-за того, что он прозвучал на немецком языке в неприметном журнале Helvetica Phisica Acta. Статья называлась «Красное смещение внегалактических туманностей». За долгие годы плодотворной деятельности Цвикки выдвинул множество остроумных идей, которые отстаивал с завидным упорством. Для одних это был человек блестящего ума, для других — грубиян. У каждого, кто встречался с Фрицем Цвикки (рис. 6.11), складывалось о нем свое мнение. Пожалуй, приветствие, которым он Янко Слава (Библиотека Fort/Da ) || http://yanko.lib.ru Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИР- ПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь). 104 зачастую встречал гостей в Калифорнийском технологическом институте: «Кто же вы, черт возьми!» — можно адресовать и темной материи. Как бы то ни Рис. 6.11. Фриц Цвикки 204 было, некоторое время темная материя не очень-то сказывалась на делах астрономических. Следующий важный вклад в 1970 году внесли Вера Рубин и У. К. Форд, первыми изучившие вращение М31 (туманности Андромеды), а затем еще более 60 спиральных галактик. Выяснилось, что все эти галактики вращаются с большей скоростью, чем способна обеспечить их видимая масса, что свидетельствовало о существовании скрытой массы. По мере роста поступающих данных стало невозможно обходить этот вопрос. Темная материя заявляет о своем существовании, причем ее почти в 10 раз больше обыкновенной светящейся (видимой) материи — до тех пор, пока мы не пересмотрим наши представления о тяготении (но об этом дальше). В темноте рассуждать о темной материи Рассматриваются три различных способа в объяснении природы темной материи: барионная темная материя, небарионная темная материя или возможное недопонимание тяготения. Барионная темная материя. Барионная темная материя. Строго говоря, барионами являются только протоны и нейтроны (см. гл. 2), но астрономы в состав барионной темной материи включают и электроны. Все дело в том, что такая темная материя состоит из хорошо известных частиц, но ее излучение недостаточно для обнаружения. Примером темной барионной материи могут служить: ♦ Обыкновенное вещество. Гелиевые и водородные облака, рассеянные в межгалактическом пространстве, считаются обыкновенной темной материей. ♦ MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Objects), массивные астрофизические компактные галообъекты. Состоят из тел во внешнем окружении галактик (гало — короны), обладающих массой, но ввиду ма- 205 лых размеров или слабого излучения мы не в состоянии их обнаружить. Представители таких тел: ♦ Коричневые карлики размером примерно с Юпитер или наименьшую звезду, но тяжелее Юпитера в 80 раз. Эти объекты формировались одновременно со звездами и планетами, но из-за недостаточной для запуска механизма ядерного синтеза массы они просто медленно остывают, излучая энергию, слишком малую, чтобы наши датчики ее обнаружили. ♦ Белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры — это все, что осталось от существовавших некогда звезд малой, средней и большой массы, и у них слишком слабое (либо отсутствующее вовсе, как у черных дыр) для регистрации излучение. Для поиска МАСНО привлекают эффект гравитационной линзы, когда свет от далеких звезд изгибается в присутствии МАСНО, что косвенно указывает на их наличие. Результаты измерений в Млечном Пути свидетельствуют о наличии нескольких МАСНО во внешней области короны нашей Галактики, но этого мало для учета всей темной материи. Небарионная темная материя. Небарионная темная материя. Небарионная темная материя состоит из частиц, отсутствующих в известном на сегодняшний день списке обладающих массой покоя элементарных частиц. Возможна как холодная, так и Янко Слава (Библиотека Fort/Da ) || http://yanko.lib.ru Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИР- ПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь). 105 горячая небарионная темная материя. ♦ Холодная темная материя. Такая материя состояла бы из крайне тяжелых, медленных частиц. Эти частицы получили название слабовзаимодействующих элементарных частиц с неравной нулю массой покоя (WIMPs — Weakly Interacting Massive Particles). Ни одна из них не была пока обнаружена, но существование некоторых таких частиц вытекает из теорий, объясняющих механизм появления массы у элементарных частиц (см. гл. 2). Холодная темная материя могла бы включать: 206 — фотино, или суперсимметричных партнеров фотонов с массой, превышающей массу протонов в 10— 100 раз; — аксионы, гипотетические частицы, призванные объяснить отсутствие определенного свойства у нейтронов, а также наблюдаемую асимметрию Вселенной; — кварковые комья, представляющие собой необычное, пока еще не наблюдавшееся сочетание шести кварков (см. гл. 2). ♦ Темная горячая материя. Эта материя состоит из легких быстродвижущихся частиц. Самый подходящий соискатель на это место — нейтрино. Поначалу нейтрино считали частицей с нулевой массой покоя, но недавние опыты свидетельствуют, что они могут обладать небольшой такой массой. Сколько бы ни было нейтрино во Вселенной, их совокупная масса, похоже, слишком мала, чтобы как-то решить вопрос с темной материей. Недопонимание тяготения. Недопонимание тяготения. Галактики все еще представляют в виде скопления частиц, подчиняющихся законам Ньютона. Несмотря на то что теория тяготения выдержала проверку временем, новые опыты могут заставить внести в них изменения для межгалактических расстояний. Прогнозирование будущего Вселенной При всей сложности нерешенной проблемы темной материи не она является крупнейшей проблемой, с которой сегодня приходится иметь дело астрономии. Возникла эта проблема в конце 1990-х годов в ходе изучения космологами развития Вселенной с теоретических позиций. На пространственно-временной схеме эволюции Вселенной четко просматривается несколько возможностей ее дальнейшей судьбы (рис. 6.12). 207 Рис. 6.12. Расстояние между галактиками во Вселенной в зависимости от времени Представить движение Вселенной можно на примере подбрасывания мяча в воздух. Если подбросить его достаточно резко, то мяч высоко взмоет в небо, замрет на какой-то миг и затем упадет к вам в руки. Нечто подобное происходило бы в замкнутой Вселенной. Возвращение мяча вызвано силой тяготения, благодаря массе Земли, достаточно большой, чтобы вернуть мяч обратно. Теперь подбросим мяч, находясь на небольшом астероиде. Если астероид невелик, то пущенный с определенной скоростью мяч может и не вернуться на него, преодолев его силу тяготения. Такое положение соответствовало бы открытой Вселенной. Если же вы окажитесь на небесном теле с подходящей массой, мяч начнет удаляться бесконечно далеко, причем скорость его будет стремиться к нулю. Такое состояние характерно для плоской Вселенной. 208 Итак, вопрос об эволюции Вселенной, похоже, стоит так: хватит ли массы у нее для удержания от непрестанного расширения? Главным фактором эволюции Вселенной является величина совокупной плотности ее вещества и энергии, а необходимость учета обеих величин определяется знаменитым уравнением Эйнштейна Е= тс 2 (см. гл. 2). Янко Слава (Библиотека Fort/Da ) || http://yanko.lib.ru Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИР- ПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь). 106 Плотность вещества (энергии) обычно выражается величиной омега, равной приведенной плотности вещества (энергии) (по отношению к критической плотности). Омега, равная единице в случае совпадения плотности вещества (энергии) с критическим значением плотности, указывает на расширение Вселенной со все уменьшающейся скоростью, и через бесконечное время на бесконечном удалении она уже не будет ни расширяться, ни сжиматься. Этот случай характерен для Вселенной с критической плотностью. Если масса определяет геометрию времени-пространства, критической плотности соответствует плоская Вселенная, где сохраняется параллельность линий и справедлива евклидова геометрия. Если омега больше единицы, значит, расширение Вселенной будет замедляться еще быстрее и, достигнув предельных размеров, она начнет стягиваться, пока не произойдет «большого сжатия». Данный случай описывает поведение замкнутой Вселенной, где параллельные линии начнут сходиться. Если омега меньше единицы, Вселенная будет вечно расширяться со слегка замедляющейся скоростью. Данный случай описывает поведение открытой Вселенной, где параллельные линии начнут расходиться. Согласно видимой материи (энергии) омега значительно меньше единицы, что свидетельствует об открытой Вселенной. Современные оценки количества темной материи во Вселенной дают существенную прибавку массы, однако получаемая совокупная величина уступает критической плотности. Согласно значениям видимой и темной материи Вселенная открыта независимо от возможного состава темной материи. Вопрос, стало быть, снят? Не тут-то было. 209 Столкнувшись с неожиданным: ускорение Вселенной В начале 1990-х годов две разные группы ученых занялись измерением расстояния до сверхновых звезд (см. гл. 3) в надежде определить замедление Вселенной нахождением ее нынешней скорости расширения, которая, по их мнению, должна была падать со временем. Но нашли они не то, что искали: вместо замедления получили ускорение. Ученые были столь удивлены, что, боясь ошибиться, несколько раз перепроверили свои результаты и лишь затем их обнародовали. Прежде чем приступить к изучению этих данных, посмотрим, что ученые пытались сделать. Ведь, как мы помним, затруднение Хаббла при определении расстояний до удаленных галактик вызывалась тем, что переменные звезды-цефеиды у таких галактик оказывались слишком тусклыми. Поэтому вполне разумно было отыскать более яркие объекты с известной светимостью, после чего вычислить расстояние до них на основе их относительной светимости. При всей яркости сверхновых звезд светимость зависит от их массы. Один вид сверхновых связан со звездой постоянной массы, а поэтому и известной светимости. Подобное происходит, когда белый карлик получает дополнительную массу от звезды-спутника, и этой массы достаточно, чтобы превысить предел для массы белого карлика (в 1,4 раза больше массы Солнца). Тогда белый карлик взрывается, становясь сверхновой звездой типа Iа. Ввиду своей чрезвычайной светимости сверхновые типа Iа легко различимы в отдаленных галактиках. Такие сверхновые взрываются с одной и той же светимостью, так что расстояние до них можно вычислить, измеряя их видимый блеск: чем он слабее, тем она дальше. Трудность данного подхода связана с тем, что сверхновые типа Iа сохраняют свою максимальную яркость лишь в течение нескольких недель. 210 В 1998 году в рамках проекта космологии сверхновых звезд Калифорнийского технологического института и Международного консорциума по поиску сверхновых с большой Z * [величиной красного смещения] исследовались различные сверхновые типа Iа вблизи максимума их яркости и определялись их расстояния. С помощью метода доплеровского сдвига, впервые предложенного Весто Слайфером, они определили красные сдвиги галактик, где находились сверхновые, и сравнили полученные величины со значениями, получаемыми с применением зависимости Хаббла. Измерения показали, что эти отдаленные сверхновые обладают значительно меньшим блеском, чем указывает зависимость Хаббла. А поскольку свету от вспыхнувших сверхновых пришлось добираться к нам 4—8 млрд лет, измерения свидетельствовали, что сегодня Вселенная расширяется значительно быстрее прежнего. Иначе говоря, ее расширение идет с ускорением. На следующий год обнаружили еще более удаленную сверхновую. Оказалось, что это самая далекая из когда- либо наблюдавшихся звезд, и свет от нее шел 11 млрд лет. Блеск ее оказался выше расчетного. Получалось, что 11 млрд лет назад происходило замедление ранней Вселенной из-за сил тяготения. Но 4-8 млрд лет назад она стала ускоренно расширяться, а галактики — разбегаться со всевозрастающей скоростью. Из этого измерения следовал неумолимый вывод: какова бы ни была причина нынешнего ускоренного расширения Вселенной, оно было менее заметным или даже вовсе отсутствовало на ранней стадии ее эволюции. Оно стало заметным, когда Вселенная миновала пик своей эволюции, и с той поры возраст определяет ее поведение. Такое положе- * Относительное изменение длины волны линий в спектре излучения небесных тел Z равно отношению разности лабораторной длины волны линии спектра и длины волны смещенной линии к лабораторной длине волны линии спектра. |