13.8

Звезды играют определяющую роль в нашем космическом окружении. Сегодня мы знаем почему: потому, что мы живем в большом их скоплении – Галактике Млечный Путь. С увеличением масштаба оказывается, что определяющую роль во Вселенной, по крайней мере визуальную, играют как раз галактики. Хотя звезды отчетливо видны на ночном небе, они находятся так далеко, что даже относительно близкие к нам галактики выглядят как туманные светящиеся области, без телескопа почти неразличимые. Неудивительно, что первое в Европе описание этих областей – туманностей – появилось лишь в 1614 году, вскоре после изобретения телескопа. Его автором стал Симон Марий (Мариус)[118] – немецкий астроном, по моде того времени латинизировавший свою настоящую фамилию Майр. Он не только открыл галактику (туманность) Андромеды для европейцев (к тому времени она уже была известна арабским астрономам), но и почти одновременно с Галилеем заметил четыре крупнейших спутника Юпитера, правда, не сразу придал огласке свои наблюдения[119]. Прошло еще сто лет, прежде чем Эдмунд Галлей[120] (тот самый, давший имя комете) опубликовал в 1716 году в журнале «Философские труды Королевского общества»[121] статью о туманностях, введя изучение этих объектов в научный обиход. Правда, его объяснение этого феномена было неверным.

Галлей не понял, что многие из этих туманностей (галактик) состоят из звезд и светятся именно поэтому. На протяжении двух последующих веков это было камнем преткновения при изучении природы туманностей, в том числе потому, что они бывают двух типов. Для нас сейчас интересны те, которые оказались другими галактиками, в целом напоминающими Млечный Путь; но есть еще истинные туманности – облака газа и пыли между звездами нашей Галактики, которые во многих случаях светятся из-за находящихся в них горячих звезд. Например, такова известная туманность в созвездии Ориона. Кстати, она стала первой в списке, составленном Галлеем, второй была туманность Андромеды. Сегодня термин «туманность» применяется именно к облачным образованиям, а галактики так больше не называют. Для ясности я буду всегда говорить «галактики», даже если Галлей и его последователи в свое время сказали бы «туманности».

В одном Галлей оказался прав: в отличие от планет, наблюдаемые туманности не движутся между звезд, поэтому они наверняка находятся на очень большом от нас расстоянии. И раз они выглядят расплывчато, в отличие от четких бусинок звезд, то наверняка очень велики. Это наблюдение породило множество провидческих, но не вполне научных рассуждений о размере и масштабе Вселенной.

Сила чистого разума

Сначала появилась работа мыслителя XVIII века Томаса Райта[122] из английского графства Дарем. В 1750 году он опубликовал книгу с замечательным названием: «Оригинальная теория, или Новая гипотеза о Вселенной, основанная на законах природы и объясняющая с помощью математических принципов наиболее важные явления видимого мироздания, в частности Млечного Пути»{20}. В ней верные утверждения были смешаны с нелепыми, философия и теология – с наукой, но присутствовала одна очень важная мысль. Райт предположил, что внешний вид Млечного Пути – тянущаяся через небо лента – может быть объяснен тем, что входящие в него звезды образуют диск, подобный мельничному колесу, и отдельные светила «все движутся в одном направлении, не сильно отклоняясь от единой плоскости, как планеты в своем гелиоцентрическом движении». Согласно этой модели, звезды вращаются вокруг оси Млечного Пути подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Райт пошел еще дальше и указал, что, возможно, вокруг других звезд тоже обращаются планеты. А если существуют другие солнечные системы (или, как он выразился, звездные системы), почему бы не быть другим млечным путям? Далее он рассуждает, используя термин «мироздание» там, где мы сказали бы «галактика»: «Поскольку видимое мироздание, вероятно, наполнено звездными системами и планетами-мирами, то, соответственно, неизмеримая необъятность есть безбрежное пространство мирозданий». Другими словами, бесконечная Вселенная содержит неисчислимое количество галактик, подобных Млечному Пути. Он уточняет, что туманности «могут оказаться внешними мирозданиями». Эта мысль влечет за собой размышления о человечестве в космосе:

Из уст верующего в существование Творца это рассуждение звучит несколько неожиданно.

Упомянутые идеи были извлечены из довольно запутанной книги Райта философом Иммануилом Кантом[123] и вдохновили его на попытку продвинуться еще на шаг вперед и объяснить происходящее в наблюдаемой Вселенной терминами законов Ньютона, не прибегая к понятию Руки Божией. К 1755 году Кант закончил книгу, в которой изложил намного более наукообразное понимание туманностей как «островных вселенных» и пояснил, что дискообразные системы звезд выглядят круглыми, если смотреть на них прямо, и эллиптическими под углом. Он поддерживал идею беспредельной, вечной Вселенной и предполагал, что нынешнее ее состояние развилось из некоего исходного вида. К сожалению, эти идеи не получили заслуживающего внимания в его время, поскольку издатель Канта обанкротился и книга так и не была распространена. Внедрил эту идею в умы (и прославился как ее первооткрыватель) Пьер-Симон Лаплас[124], представивший в своей работе «Изложение системы мира» от 1796 года (и более развернуто в пятом томе знаменитого «Трактата о небесной механике», начатого в 1799 году) так называемую гипотезу туманностей. Он утверждал, что туманности должны содержать миллиарды звезд, подобных светилам Млечного Пути, и что сам Млечный Путь с большого расстояния выглядел бы так же, как эти туманности. Иными словами, наше место во Вселенной вовсе не уникально. Трактат прославился и описанием того, что мы сегодня называем черными дырами, и ответом Лапласа на вопрос Наполеона о том, почему в книге не упоминается Бог: «Sire, je n’avais pas besoin de cette hypothèse-la»[125]. Но в конце XVIII века теория и чистый разум еще не могли пойти дальше этого. Теперь были необходимы многочисленные и более точные наблюдения, и в XIX веке они появились, правда, не совсем так, как можно было ожидать.

Шаг вперед и два назад

Первый принципиальный шаг был сделан уже к моменту публикации изысканий Лапласа. В середине 1780-х годов передовой астроном и конструктор телескопов Уильям Гершель сообщил о ряде наблюдений за туманностями через новый зеркальный телескоп. Апертура[126] более 45 см и фокусное расстояние более 6 м делали это устройство самым мощным из существовавших в то время. С его помощью Гершель смог не только разглядеть множество новых туманностей (к 1784 году их число выросло почти до пятисот), но и обнаружить, что некоторые из ранее классифицированных как туманности объектов на самом деле представляют собой скопления звезд. Благодаря схожести с шарами, наполненными звездами, некоторые из этих скоплений получили название шаровых, а другие, менее плотно набитые, сегодня известны как открытые. Все эти скопления должны были относиться к Млечному Пути. Но изначально Гершель не сомневался в том, что остальные туманности лежат вне нашей Галактики. В 1785 году он заявил, что некоторые туманности «могут значительно превосходить наш Млечный Путь в грандиозности», и предположил, что изначально звезды могли распределяться по Вселенной равномерно, но впоследствии объединились в туманности (галактики) под действием гравитации. В 1786 году Гершель писал:

Ученый заявлял, что Млечный Путь наверняка отделен от туманностей большими космическими пустотами, и пытался высчитать размер нашей Галактики.

Его усилия не принесли плодов из-за проблемы, которая мешала астрономам вплоть до XX века. Гершель не знал, что между звездами Млечного Пути есть пыль, мешающая нам видеть свет удаленных звезд. Мы словно окружены прозрачным туманом. Стоя на поле, укутанном дымкой, вы видите во все стороны, но лишь на определенное расстояние, что создает впечатление, будто поле маленькое и круглое. Но если туман рассеется, может оказаться, что поле большое и квадратное, а вы стоите в его углу. Аналогичным образом межзвездная пыль заставляет нас думать, будто мы находимся в центре диска Млечного Пути, но, как станет ясно из дальнейшего повествования, современные наблюдения (в том числе на инфракрасных волнах, способных проникать через пыль) доказывают, что мы расположены достаточно далеко от центра, ближе к краю галактического диска. Тем не менее Гершель предпринял достойную попытку, даже несмотря на слишком заниженную оценку размеров Млечного Пути: диаметр диска он счел равным в современных единицах примерно 2200 парсекам, а толщину – 520 парсекам.

Впоследствии Гершель сделал шаг назад. До этого он признавал, что туманности бывают нескольких видов: некоторые находятся далеко, вне пределов Млечного Пути, другие в его рамках, а некоторые, так называемые планетарные туманности, «оставляют меня почти в сомнениях относительно того, куда их отнести». Планетарные туманности получили такое название потому, что через небольшой телескоп они выглядят как круглые световые пятна, похожие на планеты, а не как точечные источники света, ассоциируемые со звездами. Сегодня мы знаем, что они представляют собой облака материи, отторгнутой звездами на поздних этапах их эволюции, после отхода от главной последовательности. Первым это засвидетельствовал именно Гершель. В 1791 году, наблюдая за туманностью, впоследствии получившей название Хрустальный Шар, или NGC 1514, он заметил нечто похожее на «звезду, заключенную в сияющий флюид[127], совершенно неизвестной нам природы». По мере обнаружения других подобных объектов Гершель разочаровался в мысли, что туманности представляют собой другие галактики. Его привлекла идея о том, что планетарные туманности могут оказаться точками рождения звезд (что прямо противоположно истине!), и в 1811 году астроном написал, что, хотя до этого он «помышлял, будто туманности есть не что иное, как скопления звезд, скрытые от нас огромным расстоянием», продолжительные изыскания «не допускают общего принятия такого принципа». Следующий гигантский скачок в качестве научных наблюдений еще больше запутал ученых.

В 1845 году Уильям Парсонс[128], третий лорд Росс, завершил сооружение огромного телескопа в своем ирландском замке Бирр. Из-за размеров этот механизм прославился как «Левиафан» из Парсонстауна и оставался самым большим в мире до строительства 2,5-метрового телескопа Хукера в 1917 году. Зеркало «Левиафана» имело 1,8 м в поперечнике, 13 см в толщину и весило три тонны. Остальные части телескопа были столь же грандиозными. Его труба длиной 16,5 м весила около 12 тонн и устанавливалась под нужным углом к горизонту и в меньших пределах по азимуту. Лорд Росс создал этот телескоп, будучи большим поклонником феномена туманностей и достаточно богатым человеком, чтобы позволить себе любые прихоти. Он решил исследовать максимально возможное число туманностей. Именно Парсонс открыл, что некоторые из них имеют форму спирали, к 1850 году он обнаружил четырнадцать спиральных туманностей, что вынудило его указать в опубликованной Королевским обществом работе, что «по мере накопления наблюдений объект стал, по крайней мере, по моему мнению, еще более таинственным и неприступным».

И действительно, к этому моменту туманности загадали астрономам множество загадок. Одни закручивались спиралью, другие выглядели как скопление планет, а некоторые (как, например, туманность Ориона) казались просто светящимися облаками на Млечном Пути. Лорд Росс решил отказаться от попыток объяснить их сущность. Но прорыв в этой области не заставил себя долго ждать.

Спектроскопия туманностей

Росс умер в 1867-м, а уже в следующем году исследователи Жансен и Локьер обнаружили спектроскопические признаки присутствия гелия в атмосфере Солнца. Тремя годами ранее, в 1864 году, было сделано первое важное открытие в области спектроскопических исследований туманностей. Уильям Хаггинс[129], еще один астроном-любитель, построивший частную обсерваторию в южной части Лондона, заинтересовался новостью об открытиях Кирхгофа и с помощью своего соседа Уильяма Миллера решил исследовать спектры звезд и туманностей. Они обнаружили сходство между спектрами звезд и Солнца, а в 1864 году Хаггинс опубликовал статью, где описал любопытное наблюдение: в спектре планетарных туманностей не было линий, характерных для звездных спектров, и вообще почти не было линий, словно в спектре простого облака газа. Но в спектрах других туманностей «звездные» линии были, среди них спиральная (как выяснил Росс) туманность Андромеды (М31).

К 1866 году Хаггинсу удалось собрать достаточно данных для прорывного доклада на ежегодном собрании Британской ассоциации содействия развитию науки, проводившемся в тот год в Ноттингеме. Он сообщил, что многие туманности, включая планетарные, состоят из газа, хотя в центре некоторых из них и может находиться одиночная звезда. Но все объекты, изначально определенные как туманности и впоследствии благодаря современным телескопам оказавшиеся звездами (в частности, шаровые скопления), имеют, как легко догадаться, спектр, аналогичный спектру звезды. Важно, что многие из туманностей, которые не удается рассмотреть в телескоп как скопления звезд, в том числе спиральные туманности Росса, имеют спектр, аналогичный спектру шаровых скоплений. Все данные указывают на то, что такие туманности – тоже агломерации звезд, просто находящиеся слишком далеко, чтобы разглядеть в них отдельные светила. Хаггинс не утверждал это прямо, но почти дошел до этого вывода.

Пока астрономы привыкали к мысли, что вне Млечного Пути могут существовать другие галактики – «иные вселенные», технологии продолжали подталкивать их в нужном направлении. Во второй половине XIX века к зрительным наблюдениям за звездным небом добавилась фотография. Вместо того чтобы зарисовывать увиденное, астрономы могли теперь сделать снимок – более точное изображение, которое можно было рассмотреть в удобных условиях. У фото было и другое преимущество. Привыкнув к темноте, глаз может долго следить за объектом, но так и не увидит ничего, кроме того, что сумел разглядеть в первые несколько минут. А фотопластинка продолжает накапливать свет и создавать изображение на протяжении очень долгого времени. Это позволяет замечать больше деталей, чем может различить человеческий глаз, и даже фотографировать то, что мы увидеть вовсе не способны. Если прикрепить к телескопу спектроскопическую камеру, то можно запечатлеть на будущее точные спектры тусклых объектов и изучить их под микроскопом, чтобы исследовать самые мелкие детали линий спектра.

Одним из пионеров этой техники был Юлиус Шейнер[130], работавший в Потсдамской обсерватории. Он выяснил спектр туманности Андромеды, экспонируя фотопластинку в такой камере в течение семи с половиной часов, и его данные полностью подтвердили открытие Хаггинса. В 1899 году Шейнер сообщил, что поскольку «предыдущие соображения о том, что спиральные туманности, или звездные скопления, теперь нашли подтверждение, сама собой напрашивается идея о сопоставлении этих систем с нашей звездной системой, особенно учитывая ее удивительную схожесть с туманностью Андромеды». Иначе говоря, Млечный Путь и туманность Андромеды оказались спиральными галактиками. Полигон для науки XX века был подготовлен. Следующий ключевой шаг был сделан уже после строительства 2,5-метрового телескопа Хукера на горе Маунт-Вилсон, но даже до этого, в первые два десятилетия нового века, фотография и спектроскопия вызвали новый всплеск интереса к туманностям, особенно спиральным. Астрономы вступили на новый путь открытий – долгий и довольно запутанный.

Первые шаги

По словам Конфуция[131], путешествие длиной в тысячу миль начинается с первого шага. Этот шаг по дороге от Земли к Вселенной в целом был сделан в 1761 году, когда астрономы использовали наблюдения редкого явления – прохождения Венеры по диску Солнца – и геометрические измерения, чтобы рассчитать расстояние до светила. Для этого надо было точно зафиксировать время наблюдения, в частности моменты, когда Венера будет «касаться» края Солнца, в значительно удаленных друг от друга точках на Земле. Зная расстояние от Земли до Солнца (современные измерения оценивают его в 149,6 млн км), диаметр орбиты Земли (чуть меньше 300 млн км) можно использовать как основу для измерения расстояний до ближайших звезд. Дело в том, что ближайшие светила несколько «сдвигаются» относительно «неподвижных», то есть более далеких, по мере того как Земля движется вокруг Солнца. Этот эффект параллакса можно наблюдать прямо сейчас, вытяните руку и посмотрите на палец то одним, то другим глазом: вам покажется, что он движется. Но сдвиги, измеряемые астрономами, менее заметны. Для сравнения можно взять угловой диаметр Луны, равный 30 угловым минутам или 1800 секундам. Даже для самых близких к нам звезд эффект параллакса намного меньше. Расстояние до звезды, которая сдвинется на одну угловую секунду на фотографиях, снятых с разницей в шесть месяцев, называется парсек (от «параллакс» и «секунда»), оно равно примерно 3,26 световых года. Ближайшая к нам звезда находится в 1,32 парсека (4,29 световых лет), то есть все исследования звезд предполагают наблюдения за их перемещениями менее чем на одну угловую секунду, если округлить, менее чем на одну двухтысячную часть видимой Луны. До появления астрофотографии это, конечно, было невозможно.

Есть и другие, менее точные приемы для определения расстояний до открытых звездных скоплений на основе наблюдений за их движением по небу или интерпретаций описанной ранее диаграммы Герцшпрунга – Расселла. Ключевой шаг на пути к масштабу Вселенной был предпринят в Гарварде в 1912 году Генриеттой Суон-Ливитт[132] – опытной ассистенткой астронома Эдварда Пикеринга[133]. Она окончила учебу в Обществе преподавания наук женщинам (впоследствии колледж Рэдклифф, ныне в составе Гарвардского университета) в 1892 году, накануне своего двадцатичетырехлетия, и через год стала работать в Гарвардской обсерватории под руководством Пикеринга поначалу как волонтер. Она занималась анализом фотопластинок в целях определения величины (яркости) звезд и стала настоящим экспертом в интерпретации поведения неодинаковых по яркости светил и оценке разницы между ними. В 1896 году Суон-Ливитт отправилась на два года в поездку по Европе, а по возвращении Пикеринг предложил ей оплачиваемую работу и она стала полноценным профессиональным астрономом (с зарплатой 30 центов в час), членом специально нанятого «гарема Пикеринга» – коллектива женщин, занимающихся кропотливыми расчетами и систематизацией данных.

Исследуемые Суон-Ливитт переменные звезды изначально считались двойными, а изменения в их яркости объяснялись прохождением одного светила перед другим. Становилось очевидно, что это одинарные звезды, которые действительно со временем изменяют яркость, причем иногда эти периоды длятся много месяцев. Хотя ее работа часто прерывалась из-за болезней, в 1904 году Суон-Ливитт оказалась в нужное время в нужном месте: ей попалась коробка фотопластинок, доставленных в Гарвард из южной наблюдательной станции обсерватории, расположенной в городе Арекипа в Перу. На пластинках были запечатлены две туманности, видимые лишь из Южного полушария и известные как Магеллановы облака; первым европейцем, описавшим их, был Фернан Магеллан. В одной из этих туманностей – Малом Магеллановом облаке – исследовательница быстро обнаружила десятки переменных звезд, а когда в том же году из Перу прибыли новые пластинки, их стало еще больше, и вскоре они исчислялись уже сотнями. В 1908 году Генриетта опубликовала статью, в которой подводила итог проделанной работе, с характерным заголовком «1777 переменных в Магеллановых облаках». Ключевое открытие, прославившее ее, находится в самом конце этой чуть более чем двадцатистраничной статьи: «Стоит отметить, что более яркие переменные имеют больший период».

Как указывает биограф Суон-Ливитт Джордж Джонсон, для астрономии эта фраза имеет такое же значение, как для биологии ремарка Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона[134] в конце их знаменитой работы о ДНК: «От нашего внимания не укрылось то, что специфическое спаривание, которое мы постулировали, одновременно позволяет сделать предположение о механизме копирования генетического материала». Их открытие стало ключом к пониманию сути самой жизни, а открытие Ливитт – ключом к пониманию сути Вселенной.

Ее фраза так важна потому, что если периоды (время, проходящее между пиками яркости) некоторого класса переменных звезд связаны с их яркостью, то для определения яркости достаточно измерить продолжительность периода светила. Однако здесь есть сложность. Это соотношение необходимо калибровать. Нужно найти как минимум одного представителя конкретного семейства звезд, расстояние до которого каким-то образом уже известно. Найдя на Млечном Пути звезды, подобные этим переменным, мы можем с помощью соотношения периода и яркости утверждать, что одна из них, скажем, вдвое ярче другой и потому должна находиться дальше от нас, чтобы выглядеть так тускло, как она смотрится сейчас, но точные расстояния до каждой из них без такой калибровки мы узнать не сможем. Однако если знать расстояния до нескольких таких звезд, можно узнать их абсолютную величину и использовать измерения периодов других членов того же звездного семейства, чтобы измерить их абсолютные величины и сопоставить их с воспринимаемой яркостью, чтобы получить расстояния. В случае с Магеллановыми облаками делать поправку на ухудшение видимости из-за расстояния не приходится, потому что эти туманности (как мы знаем сейчас и как догадывалась Суон-Ливитт и ее современники) находятся настолько далеко от нас, что это ухудшение можно считать единым для всех звезд в этих туманностях. Расстояние от одного края Магеллановых облаков до другого составляет лишь небольшой процент от расстояния от нас до них. Обнаруженное исследовательницей семейство звезд сегодня известно как цефеиды: источником названия послужил классический пример такого светила, находящегося в созвездии Цефея и известного как Дельта Цефея. В 1780-х годах ее изучал английский астроном Джон Гудрайк[135].

Работа Суон-Ливитт продвигалась чрезвычайно медленно, поскольку она была очень слаба здоровьем, к тому же в 1911 году потеряла отца. Но к 1912 году ей удалось найти в Малом Магеллановом облаке 25 переменных звезд, демонстрировавших четкое соотношение между яркостью и периодом, которое можно было изобразить на простом графике. Этого было бы достаточно, чтобы применить такое соотношение для измерения расстояний по всему Млечному Пути, если бы дистанцию между нами и хотя бы одной ближней цефеидой удалось измерить напрямую. К сожалению, на достаточно близком к нам расстоянии не нашлось ни одной звезды, дистанцию до которой можно было определить с помощью параллакса доступными тогда телескопами[136], не подошла даже самая близкая Полярная звезда. Поэтому важнейший первый шаг на пути калибровки расстояний до цефеид был сделан (Эйнаром Герцшпрунгом) с помощью более грубой и прямой техники под названием «статистический параллакс». Это ловкий и на удивление точный метод, если применить его к достаточному количеству звезд. Он предполагает довольно пристальное наблюдение за множеством светил, например, в открытом звездном скоплении, чтобы измерить их движение от года к году в угловых единицах. Все звезды движутся примерно в одном направлении, но они приближаются к нам или удаляются от нас с разной скоростью. Она может быть измерена напрямую с помощью уже знакомого нам доплеровского эффекта, а отсюда можно получить представление о масштабе скоростей звезд в отношении друг друга. Логично сделать вывод, что скорость, с которой светила смещаются по небу относительно наблюдателя, в среднем аналогична той, с которой они приближаются или удаляются. Таким образом, вычтя из скорости смещения относительно наблюдателя доплеровское смещение, получаем истинную скорость смещения относительно наблюдателя. А ее уже можно соотнести с углом, на который звезды смещаются каждый год, и получить расстояние до них.

В 1913 году Герцшпрунг применил этот прием, чтобы измерить расстояние до нескольких цефеид, откалибровать шкалу расстояний Суон-Ливитт и определить удаленность от нас Малого Магелланова облака. Он получил ответ в 30 тысяч световых лет (почти 10 тыс. парсек), но из-за опечатки в его статье был опубликован результат в 3000 световых лет. Для астрономов того времени оценка в 30 тысяч световых лет была невообразимо огромной. И хотя по разным причинам впоследствии оказалось, что истинное расстояние почти в десять раз больше, эти измерения положили начало переоценке размеров Млечного Пути и нашего места во Вселенной.

Долгий и сложный путь

К началу XX века в понимании природы Млечного Пути астрономы недалеко ушли от Гершеля, а в чем-то и сделали шаг назад. Поэтому в 1906 году голландский астроном Якобус Каптейн[137] начинал практически с нуля, разрабатывая план исследований структуры Млечного Пути путем подсчета числа звезд с различными величинами, спектральными типами, радиальными (доплеровскими, лучевыми) скоростями и боковым (истинным) движением в различных частях неба. В проекте использовались данные более чем сорока обсерваторий, он шел к завершению больше десяти лет. Но в его вычислениях содержалась серьезная ошибка. Хотя к тому времени было известно, что между звездами присутствует материя, Каптейн недостаточно учитывал вызываемое ею потускнение звезд (межзвездное покраснение); впрочем, этот эффект оставался малоизученным вплоть до 1930-х годов. И когда в 1920 году Каптейн опубликовал результаты, они содержали примерно ту же «туманную» картину окружающего нас мира, которую описывал Гершель, только с большей детализацией. Млечный Путь все еще представлялся ученым звездной системой в виде диска с Солнцем где-то возле его центра. Считалось общепринятым, что если Млечный Путь и не заключает в себе всю Вселенную, то все «внешние» туманности наверняка представляют собой его относительно небольшие и близкие спутники. Но уже к тому времени, когда Каптейн опубликовал свои выводы, картина начинала меняться. Сначала появилось понимание, что Солнце не находится в центре Млечного Пути.

Человеком, осознавшим это, был Харлоу Шепли, работавший тогда в калифорнийской обсерватории Маунт-Вилсона. Он быстро воспользовался открытием Суон-Ливитт о соотношении периода и яркости цефеид, однако сначала зашел в тупик; но мы не будем останавливаться на этом. В 1918 году Шепли сообщил, что ему удалось измерить расстояние до нескольких относительно близких к нам шаровых звездных скоплений с помощью этого соотношения, а используя расстояние, он смог определить яркость (абсолютную величину) самых ярких звезд в этих скоплениях. Они оказались очень близки друг к другу (это неудивительно, поскольку величина звезд имеет ограничения: на каком-то этапе разрастания они взрываются), и ему удалось рассчитать расстояния до других шаровых скоплений, измерив яркость самых ярких звезд в них. Затем, уже с меньшей точностью, он оценил расстояния до еще более удаленных звездных скоплений, предположив, что у них всех сопоставимый диаметр и расстояние до них можно определить по воспринимаемому размеру. Эти измерения не нуждались в серьезных поправках на межзвездное покраснение, поскольку шаровые скопления находятся выше и ниже самой плотной и самой запыленной части нашей Галактики. Изучив распределение шаровых скоплений в космосе, Шепли пришел к выводу, что они образуют сферу с центром в точке, расположенной в направлении созвездия Стрельца. Эта точка, указал он (и был прав), видимо, и есть истинный центр Млечного Пути, в то время как Солнце и его система располагаются на периферии Галактики.

Шепли также использовал измеренные им расстояния, чтобы определить дистанцию от нас до центра Млечного Пути, но здесь он серьезно промахнулся. Сегодня мы знаем, что звезды, использованные им на первом этапе расчетов, были на самом деле не цефеидами, а похожей на них семьей переменных звезд типа RR Лиры. Они более тусклые, чем цефеиды, поэтому расположены ближе, чем думал Шепли. В итоге его вычисления представили нашу Галактику слишком большой. Он полагал, что центр Млечного Пути расположен от нас в 20 тысячах парсеках (примерно 65 тысяч световых лет), а диаметр всего галактического диска составляет около 90 тысяч парсек (300 тысяч световых лет). Это в сто раз больше, чем думали предшественники. Мысль о том, что Галактика столь огромна, придавала вес идее о том, что все прочие туманности – лишь спутники Млечного Пути, и Шепли поддержал эту аргументацию, рассчитав яркость того, что он счел новыми звездами во внешних туманностях.

Новые – это звезды, которые взрываются в конце своей эволюции, перед этим ненадолго начиная сиять намного ярче, чем любые звезды главной последовательности. У яркости новых есть предел, хорошо известный по наблюдениям за ними на Млечном Пути. Если бы спиральные туманности были галактиками, подобными нашей, примерно с таким громадным диаметром, какой рассчитал Шепли, то, чтобы объяснить, почему они выглядят на небе как крохотные пятна, нам пришлось бы согласиться, что расстояние до них составляет сотни миллионов световых лет, а это намного дальше, чем расстояние видимости с Земли даже для новой, если бы она взорвалась. И все же, по сообщению Шепли, в спиральных туманностях наблюдались новые звезды. Если бы они имели ту же яркость, что и новые Млечного Пути, это означало бы, что спиральные туманности расположены непосредственно за внешними границами этой огромной галактики. В итоге выходила картина необъятного Млечного Пути – самой большой агломерации во Вселенной, летящей сквозь пространство в сопровождении эскорта из небольших туманностей и, возможно, постоянно поглощающей их. Но имели ли те новые, что он нашел в спиральных туманностях, ту же яркость, что и новые, обнаруженные на Млечном Пути? К несчастью для Шепли, впоследствии оказалось, что взрывающиеся звезды, которые он заметил во время исследований, были вообще не новыми, а еще более яркими взрывами звезд, неизвестными в то время, – сверхновыми.

С интерпретацией данных, предложенной Шепли, не согласился его соотечественник Гебер Кертис[138]: его картина Вселенной была совсем иной. Два этих мнения были представлены на встрече Национальной академии наук США (NAS) 26 апреля 1920 года и вылились в знаменитый «Большой спор»[139]. Он закончился ничем, но задал условия для дальнейшего развития темы строения Вселенной.

Неразрешенный спор

В 1910-х годах, работая в Ликской обсерватории в Калифорнии, Кертис предпринял подробное исследование спиральных туманностей. Опираясь на их число, видимое в телескоп (так называемый рефлектор Кроссли с зеркалом в 91,44 см в диаметре) в разных частях неба, он подсчитал, что всего этому инструменту доступен примерно миллион туманностей. Для астрономов того времени это звучало почти фантастически, но в наши дни известно намного больше галактик. Изучая темные полосы (характерный признак спиральной структуры этой туманности), Кертис заключил, что относительно бедные звездами области Млечного Пути наверняка представляют собой аналогичные участки нашей Галактики, а сама она – просто одна из множества типичных спиральных. К этому выводу он пришел, измерив расстояния до спиральных туманностей на основе своих исследований новых звезд. Случилось так, что новые, которые исследовал он, действительно были аналогичны новым Млечного Пути (вспомним ярчайшие суперновые, смутившие Шепли). Таким образом, Кертис вычислил расстояния от нас до внешних туманностей и даже оказался близок к современным представлениям о них: это десятки миллионов световых лет даже до относительно близких галактик. Он стал верным апологетом идеи «островных вселенных» и писал в вышедшей в 1917 году статье:

Пока вроде бы все логично. Но, как и Шепли, Кертис допустил принципиальную ошибку. Он просто не мог – или не хотел – принять оценку Шепли относительно расстояний до шаровых звездных скоплений. Он соглашался, что они должны быть распределены в сферическом объеме с центром, совпадающим с центром Млечного Пути, но полагал, что наша Галактика имеет в диаметре лишь около 30 тысяч световых лет, а Солнце находится примерно в 10 тысячах световых лет от ее центра.

Расхождения между мирами Шепли и Кертиса спровоцировали организованное NASA в 1920 году обсуждение масштабов Вселенной. «Большой спор» был на самом деле совсем не похож на спор, элемент дискуссии в нем был минимальным. Каждый из ученых описал собственный взгляд на Вселенную и опубликовал свою работу, оставляя выбор аудитории и читателям. И, несмотря на название встречи, Шепли в принципе не так уж и интересовался масштабами Вселенной, его волновал преимущественно Млечный Путь. Более того, перед отъездом в Вашингтон на встречу он написал коллеге, что не собирается долго рассуждать о спиральных туманностях: у него недостаточно аргументов, чтобы подтвердить свои идеи. На встрече основная мысль Шепли заключалась в следующем: «Недавние исследования [шаровых] скоплений и связанных с ними объектов, как мне кажется, не оставляют никакой альтернативы мнению, что галактическая система по меньшей мере в десять раз больше в диаметре и по меньшей мере в тысячу раз больше в объеме, чем предполагалось еще не так давно».

Основная цель Кертиса на этом собрании, напротив, состояла в продвижении идеи, что спиральные туманности, независимо от их размера, представляют собой галактики, подобные Млечному Пути. Но он сказал и о том, что «теория островных вселенных имеет косвенное влияние на основной предмет галактических измерений», поскольку:

Эти «невозможно большие» величины впоследствии оказались не такими уж невозможными: были открыты сверхновые. Но в 1920 году Кертиса вряд ли можно было упрекать за незнание этого. Он также подчеркнул, что оптический спектр спиральных туманностей тот же, что и общий спектр Млечного Пути.

В одном отношении Кертис, кажется, был несколько более открытым, чем Шепли. Он признавал, что, «конечно, вполне возможно придерживаться и теории островных вселенных, и веры в громадные размеры нашей Галактики, сделав не такое уж невероятное предположение, что наша собственная островная Вселенная случайным образом оказалась в несколько раз больше средней». Именно такой подход (в смягченной форме) владел умами ученых на удивление долго, отчасти, возможно, из-за неосознанного желания считать именно наше место жительства во Вселенной каким-то особенным. Лишь в 1998 году научный коллектив Сассекского университета, в который входил и ваш покорный слуга, опираясь на данные телескопа «Хаббл», раз и навсегда установил, что Млечный Путь – по крайней мере в том, что касается размеров, – совершенно средняя спиральная Галактика{21}.

Измеряя ее, Шепли получил слишком большие числа, а Кертис – слишком маленькие. Но Кертис допустил значительно более серьезную ошибку, поместив Солнце относительно близко к центру Млечного Пути. В отношении природы спиральных туманностей Кертис был прав, а Шепли нет. Но принять верную точку зрения о строении Вселенной астрономам мешала еще одна загадка.

Путаницу, без всякого на то умысла, внес голландский астроном Адриан ван Маанен[140], работавший в Маунт-Вилсоновской обсерватории вместе с Шепли. Они, как потом выяснится, к несчастью, были друзьями, и идеи ван Маанена в 1920-х годах всерьез влияли на воззрения Шепли. Ван Маанен исследовал спиральные туманности (в частности, известную под кодом М101), используя фотографии, сделанные между 1899 и 1915 годом. Исследователь выявил в этой туманности отличительные черты (яркие пятна света) и сопоставил снимки разных лет, используя прибор, быстро менявший два изображения, чтобы человеческий глаз замечал разницу между ними (так называемый блинк-компаратор). Ван Маанен решил, что в некоторых случаях эти яркие пятна с течением лет немного сдвигаются, то есть что туманности вращаются. Это предполагаемое вращение было медленным: примерно один поворот за 200 тысяч лет (М101 смещалась на 0,02 угловых секунды в год). Если туманности имели тот же размер, что и Млечный Путь, и расстояния, предполагаемые идеей островных вселенных (если смотреть с Земли, то М101 имеет размер примерно в полградуса, сопоставимый с Луной), это означает, что внешний слой туманностей должен двигаться быстрее скорости света! Ван Маанен и вслед за ним Шепли решили, что такой вывод невозможен и доказывает обратное: туманности не могут вращаться быстрее скорости света, следовательно, они должны быть намного меньше, чтобы этот парадокс не возникал, а значит, и намного ближе, относительно недалеко от нас.

Когда другие астрономы попытались воспроизвести результаты ван Маанена, им не удалось это сделать. Но голландец утверждал, что прав, и Шепли верил ему. Никто точно не знает, где именно ван Маанен допустил ошибку, но можно предположить, что, поскольку его наблюдения опирались на измерения внешних областей туманностей, у края обзора прибора, его могла подвести оптика. Или, может быть, он увидел то, что хотел увидеть. Так или иначе, в начале 1920-х годов еще существовало множество сомнений в том, что идея островных вселенных верна. Но владеть умами им оставалось уже недолго.

Разрушение Вселенной

Человеком, который развенчал идею, будто Млечный Путь – самое большое образование во Вселенной, а спиральные туманности – лишь его спутники, стал Эдвин Хаббл – фигура такого размаха (отчасти благодаря его умению подать себя), что его стоит представить как следует.

Хаббл родился в 1889 году, окончил школу и университет в Чикаго. Он был неплохим спортсменом (но не таким хорошим, каким хотел казаться) и, безусловно, лучшим учеником. Он осваивал не только естественные науки и математику, но и французский язык и античную литературу, а затем, после выпуска из университета в 1910 году, выиграл престижное право два года изучать юриспруденцию в Оксфорде. Там он влюбился в тот образ жизни денди, который ярко описан в книгах Вудхауза[141], и превратил себя в копию английского джентльмена: имитировал британский акцент и усвоил жаргонные словечки, которые вечно раздражали его коллег. Хаббл так и не стал юристом; поработав вместо этого какое-то время школьным учителем и решив семейные проблемы, возникшие после безвременной кончины его отца в 1913 году, он устроился в Йеркскую обсерваторию близ Чикаго астрономом-стажером. Там же в 1917 году он защитил докторскую диссертацию. Хаббл поставил себе цель сфотографировать как можно больше тусклых туманностей с помощью телескопа-рефрактора диаметром один метр, в те годы одного из лучших в мире. Еще до завершения работы ему предложили должность в Маунт-Вилсоне, где вот-вот должен был появиться 2,5-метровый рефлектор. Но в тот год США вступили в Первую мировую войну, Хаббл попросил отложить его трудоустройство до возвращения из армии и отбыл в Европу.

Военная карьера Хаббла не была выдающейся. По официальным записям, он прибыл во Францию буквально накануне окончания войны и ни разу не участвовал в сражениях. В том нет его вины. Тем не менее в дальнейшем Эдвин любил намекнуть, что был ранен, поэтому у него плохо работает локтевой сустав правой руки. Такая проблема у него и правда была, что бы ни было ее истинной причиной. После заключения мира новоиспеченный майор Хаббл (он очень любил, чтобы даже в мирной жизни к нему обращались по званию) сумел задержаться в обожаемой им Англии довольно надолго, чтобы довести до бешенства коллег в Маунт-Вилсоне, где уже давно начали работу на новом телескопе. Вернулся он в сентябре 1919 года, незадолго до тридцатилетия, и какое-то время сотрудничал с Шепли, перебравшимся в Гарвард в 1921 году. Отношения двух астрономов нельзя назвать сердечными: Шепли был простым в общении, а Хаббл донельзя вычурным, к тому же смотрел на Шепли откровенно свысока.

Первой значительной работой Хаббла стало развитие идей его докторской, приведшее к классификации туманностей (галактик) по внешнему виду. Ключевым достижением здесь было разделение их на два типа: уже знакомые нам спиральные и эллиптические, не имеющие спиральной структуры и варьирующиеся по форме от сфер (громадные шаровые звездные скопления) до сигар. Сейчас предполагают, что эллиптические галактики образуются от слияния спиральных. Этим проектом Хаббл занимался до 1923 года и стал настоящим экспертом в применении нового телескопа. А затем он обратил свое внимание на проблему измерения расстояний до туманностей.

Вооруженный двумя лучшими в мире телескопами – 1,5– и 2,5-метровыми рефлекторами, Хаббл располагал всеми возможностями, чтобы проверить идею островной вселенной. Она казалась ему убедительной, но ученый не был готов поддержать ее, не имея надежных доказательств. Он начал поиск новых звезд в туманностях и летом 1923 года обнаружил в неправильной туманности NGC 6822 несколько переменных. Дальнейшие исследования показали, что в ней содержится одиннадцать цефеид, позволяющих оценить расстояние до NGC 6822 примерно в 700 тысяч световых лет. Это было даже дальше, чем размеры супергалактики Шепли. К моменту завершения расчетов Хаббл уже сделал огромный шаг к постижению Вселенной.

Возможно, под впечатлением от открытия цефеид в NGC 6822 Хаббл с еще большим энтузиазмом взялся за поиски спиральных галактик. И 4 октября 1923 года, несмотря на неудобные для наблюдений условия, Хабблу удалось получить через больший телескоп фотографию туманности Андромеды (М 31). На ней через облачную структуру просвечивала яркая вспышка. «Предполагаю новую», – записал он в рабочем дневнике. На следующую ночь астрономические условия были лучше и вспышка на фотографии была все еще видима. «Подтверждаю новую», – записал Хаббл. Более детальное изучение фотопластинки выявило не одну, а целых три предположительные новые. Хаббл начал искать туманность в фотоархиве, чтобы убедиться, что перед ним действительно новые, а не нечто ранее не увиденное. Две звезды действительно оказались новыми. Третья уже присутствовала на ранних фотографиях, но явно не была верно интерпретирована. Ее яркость менялась во времени, это была так называемая переменная звезда. Но переменная какого типа? Чтобы выяснить это, надо было постоянно следить за ней.

В феврале 1924 года постоянный контроль представил Хабблу необходимые доказательства. В течение трех ночей он наблюдал, как звезда удвоила яркость, и смог сопоставить эту информацию с архивными данными и собственными предыдущими наблюдениями, чтобы определить период переменной. Это была цефеида с периодом в 31,415 суток. Девятнадцатого февраля, желая уязвить соперника, он написал Шепли о своем открытии: «Тебе будет интересно узнать, что я нашел переменную цефеиду в туманности Андромеды». Дальше, усугубляя триумф, он указал, что, если использовать то же соотношение, которое Шепли применял для подсчета расстояний до шаровых скоплений, туманность Андромеды должна отстоять от нас на миллион световых лет или больше, если принимать в расчет межзвездную пыль. Это действительно была островная вселенная, подобная Млечному Пути, а сам он, соответственно, был просто одной из галактик, но не всей Вселенной. Вскоре после получения этой новости в лабораторию Шепли зашла Сесилия Пейн-Гапошкина. Она вспоминала, как он говорил ей: «Это письмо разрушило мою вселенную… Я верил результатам ван Маанена… Он же был моим другом».

Для Хаббла следующий шаг был очевиден. Ему предстояло измерить расстояния до максимального числа галактик, а для этого понадобился бы помощник. Новый проект должен был привести к еще более удивительному открытию, но первые шаги на пути к нему были сделаны, когда Хаббл еще не защитил докторскую и, конечно, еще не знал расстояния до М 31.

Расширение Вселенной – одно из основополагающих научных открытий, ведущее прямо к пониманию того, что у известной нам Вселенной было начало. Первые подвижки к пониманию этого были сделаны Весто Мелвином Слайфером[142], работавшим во втором десятилетии XX века в Лоуэлловской обсерватории в Флагстафе.

Удивительные скорости

Слайфер, родившийся в 1875 году, приехал в Аризону во Флагстафф в 1901 году, сразу по окончании учебы в университете Индианы, и получил задание ввести в работу новый спектрограф, созданный директором обсерватории Персивалем Лоуэллом[143]. Происходивший из богатой бостонской семьи Лоуэлл основал обсерваторию в 1894 году, изначально для доказательства своей теории о том, что марсианские «каналы» представляют собой признаки деятельности представителей цивилизации, живущих на Красной планете[144]. Новый инструмент был сначала призван измерить вращение Венеры, которая его тоже интересовала. Изучение планет занимало Слайфера следующие несколько лет, и за это время он стал настоящим экспертом в использовании спектрографа. В 1906 году по предложению Лоуэлла (который, как и многие из его современников, полагал, что спиральные туманности могут оказаться расположенными на Млечном Пути «роддомами» для новых планетарных систем, подобных Солнечной) Слайфер предпринял попытку измерить спектры спиральных туманностей. Она не увенчалась успехом, но в 1909 году[145], услышав, что этой же проблемой занялись другие астрономы, решил попробовать еще раз.

Оборудование для наблюдений у Слайфера было довольно скромное: шестидесятисантиметровый телескоп-рефрактор и уже старенький (но отлично знакомый) спектрограф. Хотя к тому времени звездная спектроскопия была общепринятым методом, выявление спектров тусклых туманностей вызывало трудности, никто до тех пор не преуспел в получении надежных результатов даже с более крупными телескопами. Но после многих месяцев терпеливых экспериментов с разными условиями, на которые он тратил свободное от работы на Лоуэлла время, астроном подобрал настройки телескопа и спектрографа, которые позволили получить спектры туманностей, в том числе Андромеды. К январю 1913 года с новой линзой для спектрографа Слайфер получил четыре фотопластинки, на которых удалось измерить спектральные линии, видимые в свете от туманности. К своему удивлению, он обнаружил, что линии смещены к синему концу спектра. Ученый предположил, что это из-за доплеровского эффекта, означающего, что туманность Андромеды летит в нашу сторону со скоростью 300 км в секунду. Это значительно превышало доплеровские скорости звезд, поэтому неудивительно, что сообщение об открытии было встречено со скепсисом.

Однако Слайфер стоял на своем. К 1914 году он измерил спектры пятнадцати туманностей и в августе того же года сделал доклад на встрече Американского астрономического общества, где указал, что три из них демонстрировали синее смещение, а одиннадцать – красное. Это было очевидно значимое открытие: сообщалось, что в конце доклада аудитория устроила исследователю овацию. К этому времени его наблюдения стали подтверждать и другие астрономы. Впрочем, возможности устаревшего телескопа, бывшего в распоряжении Слайфера, вскоре оказались исчерпаны, и в наиболее полном его труде на эту тему, опубликованном в 1917 году, упоминалось десять новых спектров туманностей: всего 25, из них четыре с синим смещением и двадцать одна с красным. Скорости, на которые указывало смещение, варьировались от 150 до 1100 км в секунду, и можно было сделать вывод, что спиральные туманности, чем бы они ни были, не могут находиться в гравитационном поле Млечного Пути. К 1917 году сам Слайфер уже не сомневался в этом:

У его наблюдений была и еще одна интересная особенность, которой часто не уделяют должного внимания. Красные смещения, если рассуждать о них как о скоростях, подразумевали, что галактики разлетаются от нас во все стороны. Точнее, не именно от нас. Когда Слайфер усреднил скорости, оказалось, что все спиральные галактики, которые он проанализировал, движутся относительно Млечного Пути или, вернее, что сам Млечный Путь движется через пространство, как и другие туманности, в некотором направлении относительно спиральных галактик со скоростью около 700 км в секунду. Он назвал такое движение «дрейфом сквозь космос» (ничего себе дрейф!), и оно стало еще одним фундаментальным открытием, поскольку дополнительно доказывало, что Млечный Путь – обычная галактика, которая, помимо всего прочего, не является неподвижным центром Вселенной.

Тем не менее наблюдения Слайфера не смогли окончательно решить вопрос о природе спиральных туманностей, и, как мы уже видели, дискуссии на эту тему продолжились в 1920-х годах. Одной из причин было то, что Шепли и другие защитники идеи громадного и всепоглощающего Млечного Пути, окруженного мелкими туманностями, еще находили аргументы в свою пользу. Они утверждали, что спиральные туманности – небольшие объекты, отторгнутые Млечным Путем в окружающий космос. К сожалению, хотя Слайфер продолжил измерять спектры туманностей и к 1922 году изучил уже сорок одну и почти все они (36) демонстрировали красное смещение, он не предавал огласке свои данные. Все они лежали в архиве Лоуэлла в виде внутренних отчетов, их не читали и не использовали – хотя астрономы Артур Эддингтон и Густав Штромберг[146] сумели их получить. Но все изменилось, когда Хаббл начал измерять расстояния до изученных Слайфером туманностей, а затем (вместе с коллегой Милтоном Хьюмасоном[147]) дистанции до более далеких галактик и их красные смещения.

Краденый успех

Хаббл знал о работах Слайфера, в 1928 году он побывал на научной встрече в Лейдене, где обсуждал с Виллемом де Ситтером[148] новые теории Вселенной на базе общей теории относительности Альберта Эйнштейна (подробнее об этом чуть позже). Хаббл также знал, что туманности, которые виднелись на небе меньше и тусклее, имели большее красное смещение, чем выглядевшие крупнее и ярче. Если допустить, что все спиральные туманности похожи по размеру, то можно сделать вывод, что красное смещение показывает расстояние: чем больше смещение, тем дальше от нас галактика. И действительно, в предыдущем 1927 году Хаббл поручил подчиненному наблюдателю в Маунт-Вилсоне Милтону Хьюмасону измерить красные смещения двух ближайших галактик (ближайших по данным метода цефеид), чтобы проверить наблюдения Слайфера, и Хьюмасон подтвердил, что их красное смещение относительно велико, что согласовывалось с идеей корреляции расстояний и смещений.

Причины красных смещений не слишком интересовали Хаббла, но его увлекала перспектива использовать их для измерения расстояний: красные смещения можно было вычислить для таких тусклых (и, предполагал он, таких далеких) галактик, которые не допускали применения метода цефеид. Чтобы доказать, что между красным смещением и расстоянием есть четкая связь, надо было измерить их по методу цефеид для максимума галактик, используя все возможности 2,5-метрового телескопа. Работа предстояла кропотливая и долгая, и Хабблу понадобилась помощь. Если он оценит расстояния по цефеидам и другим имеющимся методам, а коллега уточнит красные смещения, можно будет сложить обе части паззла и выяснить соотношение между красным смещением и расстоянием. В качестве напарника был выбран Хьюмасон, не только потому, что он был первоклассным наблюдателем, отлично знавшим телескоп, но и потому, что был намного ниже по статусу, чем Хаббл, а значит, тот мог по своей привычке присвоить себе в случае успеха львиную долю заслуг (если не все).

Хьюмасон родился в Миннесоте в 1891 году, но вскоре его семья переехала на Западное побережье США. В Маунт-Вилсон он впервые попал с родителями в 1905 году, когда обсерватория только строилась. Юноше так понравилась гора, что он убедил родителей разрешить ему бросить школу и устроиться в местный отель посыльным и разнорабочим. Но отель располагался довольно низко на склоне, и вскоре Милтон нашел место погонщика мулов, доставлявших стройматериалы и оборудование для возводимой обсерватории по горным тропам. Сначала там построили полутораметровый, а затем и 2,5-метровый (стодюймовый) телескоп Хукера, его создание спонсировал бизнесмен из Лос-Анджелеса Джон Хукер[149]. В 1911 году Хьюмасон женился на дочери одного из ведущих инженеров проекта Хелен Доуд, но продолжал привычную работу до 1913 года, в котором у него родился первенец. Тогда молодой человек решил найти достойную должность, чтобы содержать семью, какое-то время трудился садовником, а в 1916 году смог приобрести фруктовый сад (в Калифорнии такие называют цитрусовыми ранчо) близ Пасадены. Однако такая работа была ему не слишком по душе, и, когда большой телескоп был готов, а в обсерватории стали набирать дополнительный штат, он тут же нашел себе там место ночного сторожа, отчасти благодаря связям тестя.

Работа была, конечно, незавидная; но стоял ноябрь 1917 года, в Европе бушевала война. Астрономы поручали Хьюмасону самые разные задания – от фиксации телескопа под нужным углом до приготовления кофе и проявления фотопластинок. За это он получал всего 80 долларов в месяц, с бесплатным проживанием и едой. История не сохранила реакцию на все это его жены, но Милтон оказался настолько способным, что вскоре его сделали ночным ассистентом и позволили самостоятельно проводить некоторые наблюдения. Несколько астрономов, включая Шепли, ввели его в курс дела, а один из них, Сет Николсон, даже подтянул Хьюмасона по математике, ведь он рано бросил школу и мало что знал. Впоследствии Шепли вспоминал, что Хьюмасон был «одним из лучших наблюдателей, которые у нас когда-либо работали», и в 1922 году дал ему рекомендацию и помог получить официальный статус «астронома-ассистента»; фактически к тому времени Милтон уже несколько лет бесплатно работал в этой должности.

Незадолго до этого случился один из самых поразительных промахов в истории астрономии. Шепли тогда как раз собирался покинуть Маунт-Вилсон и перебраться в Гарвард. В те годы фотоизображения галактик и других астрономических объектов формировались на хрупких стеклянных пластинках, покрытых специальным химическим составом. Пластинки приходилось экспонировать много часов и проявлять в темноте и холоде купола телескопа, а затем фиксировать изображение с помощью других химикатов. Таким образом, на одной стороне пластинки появлялось изображение, а другая оставалась чистой. На ней астрономы порой писали или рисовали, отмечая интересующие их объекты. В начале своей карьеры, еще не будучи официально астрономом, зимой 1920–1921 годов двадцатидевятилетний Хьюмасон получил от Шепли задание изучить серию фотографий туманности Андромеды, по большей части сделанных за последнюю пару лет самим Шепли, и проверить, изменилась ли она за прошедшее с тех пор время, в частности, нет ли признаков ее вращения. На этих снимках, которые, по сути, были негативами (яркие объекты отображались на них как черные), Хьюмасон обнаружил несколько точек, похожих на звезды. И самое любопытное, некоторые из них присутствовали только на части пластинок, что наводило на мысль о переменных и, возможно, даже цефеидах. Он пометил оборот одной из таких пластинок чернилами, чтобы выделить особенно интересный объект, и показал его Шепли. Тот, убежденный, что спиральные туманности – это облака материи внутри Млечного Пути (максимум небольшие образования совсем рядом с ним), вынул из кармана платок, стер пометки и снисходительно объяснил Хьюмасону, что в туманности Андромеды не может быть переменных звезд. Милтон не счел себя вправе спорить с ним и долгие годы не упоминал об этом случае. А ведь Шепли мог высчитать расстояние до галактики Андромеды, понять структуру Вселенной и прославить свое имя навеки еще в 1921 году. Урок для всех нас: нужно строить теории на наблюдениях, а не подводить наблюдения под теоретические домыслы.

Когда в конце 1928 года Хаббл поручил Хьюмасону измерять красные смещения, тот не слишком обрадовался. Ему пришлось получать фотографии спектров (а это намного сложнее, чем просто фотографировать галактики) при большой выдержке в обжигающем холоде гористой местности. Зима была оптимальным временем для подобной работы, поскольку ночи в это время самые долгие и морозные, а купол телескопа не должен нагреваться, чтобы колебания теплого воздуха не мешали видимости. Хотя телескоп был оборудован механизмом для автоматического отслеживания движения объектов по небу по мере вращения Земли, это устройство было несовершенно: наблюдателю приходилось постоянно сидеть за большим телескопом и, ориентируясь на маленький телескоп наведения, подстраивать механизм, чтобы он всегда был нацелен в нужную область неба. Даже при этих условиях для получения детального снимка, необходимого Хьюмасону, одной ночи не хватало. В конце наблюдения, пока еще темно, пластинку надо было вынуть из спектрографической камеры и поместить в светонепроницаемый футляр, а на следующую безоблачную ночь так же, в темноте, снова вставить ее в камеру, направить телескоп в точности на то же самое место и снова погрузиться в кропотливую работу, требующую постоянного напряжения глаз и адаптации к холоду. Как бы Хьюмасон ни ненавидел этот процесс, он был отличным наблюдателем и никто не справился бы лучше него. Он стал измерять красные смещения тусклых галактик, не различимых телескопом Слайфера.

А Хаббл в это время измерял расстояния – сначала до галактик, красные смещения которых уже изучил Слайфер. Хабблу удалось измерить методом цефеид расстояния до шести из них и использовать полученные данные для доказательства того, что самые яркие звезды в этих галактиках были почти равны по блеску. Это дало ему возможность оценить расстояния до более удаленных галактик (где нельзя было различить цефеиды), предположив, что и в них самые яркие звезды обладают той же средней яркостью (абсолютной величиной), и определяя дистанцию до них по видимому блеску. Так удалось получить еще четырнадцать расстояний, всего двадцать. Из этого списка он вывел среднюю яркость для галактики и с ее помощью оценил примерные расстояния еще до четырех. К 1929 году был сформирован список из двадцати четырех галактик, красные смещения двадцати из которых измерил Слайфер, а четырех – Хьюмасон. Хабблу было этого достаточно, чтобы опубликовать свое знаменитое открытие: расстояние от нас до галактики находится в точной пропорции со скоростью, высчитанной на основе ее красного смещения. Эта пропорция получила название закона Хаббла. Он представил его в выпуске «Трудов Национальной академии наук США», но с одним принципиальным изменением.

Хотя в работе Хаббла от 1929 года труд Слайфера не упоминается (что само по себе поразительно и, безусловно, сделано умышленно; историк Дон Лаго утверждает, что «в молчании Хаббла нет ничего случайного», а Шепли описывал Эдвина как «до абсурда тщеславного и напыщенного»{22}), он вычел из подсчитанных скоростей 700 км в секунду – скорость нашего «дрейфа сквозь космос», открытого Слайфером. Оставшиеся скорости показывали, что на каждые 500 км в секунду приходится расстояние в миллион парсек (1 мегапарсек, или Мпк), на 1000 км в секунду – 2 Мпк и так далее. Этот коэффициент – 500 км в секунду на 1 Мпк – прославился как постоянная Хаббла (Н), а его точное значение стало предметом горячих дискуссий на годы и десятилетия. Однако важно отметить и еще один момент: хотя красное смещение измеряется в единицах скорости (км в секунду), Хаббл нигде не упоминает, что эти смещения представляют собой результат доплеровского эффекта. Он хотел использовать их просто как индикаторы расстояний и в 1929 году даже сказал в интервью газете Los Angeles Times, что «в реальность этих скоростей трудно поверить».

После опубликования закона Хаббла и вычисления постоянной Хаббла ее стало возможно использовать для измерения расстояния до любой галактики, чье красное смещение поддавалось анализу. В отдельной статье, опубликованной параллельно с работой Хаббла, Хьюмасон сообщил, что наиболее значительное красное смещение на тот момент обнаружено у галактики NGC 7619, расположенной в направлении созвездия Пегаса. Данные о ней собирались несколько ночей, в течение 33 часов, а дополнительная обработка заняла еще 45 часов. В результате было получено красное смещение, соответствующее скорости 3779 км в секунду, что более чем вдвое превышает самое большое смещение, полученное Слайфером, и соответствует расстоянию примерно в 8 Мпк, или более чем 25 млн световых лет. Вследствие этого прорыва владельцы Маунт-Вилсоновской обсерватории решили выделить средства на усовершенствованный спектрограф, который наряду с изобретением более чувствительных фотопластинок позволил Хьюмасону продвинуться еще дальше во Вселенную и несколько упростить себе работу. За следующие два года удалось проанализировать еще 40 галактик и обнаружить среди них удаленные от нас на 100 млн световых лет. И за все это, как показывают названия закона и постоянной, слава досталась Хабблу, хотя красные смещения первым открыл Слайфер, а заслуга наиполнейшего для того времени использования этого открытия принадлежит Хьюмасону. Но что все это должно было означать? Фактически (Хаббл не мог этого не знать) к 1928 году уже имелись теоретические основания для предположения, что Вселенная расширяется или, по крайней мере, что красное смещение и расстояние взаимосвязаны.

Русская революция

Эйнштейн разработал общую теорию относительности в конце 1915 года и почти сразу же применил ее для создания математической модели Вселенной. Это был не такой громадный прыжок в науке, как может показаться, поскольку общая теория описывает взаимодействие между пространством, временем и материей и, строго говоря, применима только к полному набору этих элементов – Вселенной. При попытке применить ее для описания части Вселенной[150], например природы орбиты Меркурия вокруг Солнца, получается что-то приблизительное, хотя и точное настолько, насколько нужно исследователю. Эйнштейн опубликовал свою прорывную космологическую работу под названием «Вопросы космологии и общая теория относительности» в 1917 году. Он находился под сильным влиянием общепринятого тогда воззрения, что вся Вселенная есть Млечный Путь, а также видимого факта, что звезды Млечного Пути движутся относительно мало и бессистемно, не образуя входящего или исходящего потока. Он склонялся к идее, что Вселенная замкнута аналогично поверхности Земли или иной сферы, которая, как известно, имеет конкретную площадь поверхности, но не имеет конца. Сферическая вселенная обладает конечным объемом, но не имеет границ: направившись в любую сторону по прямой, вы в конце концов обогнете ее и вернетесь в исходную точку.

Однако здесь есть затруднение. Такая замкнутая вселенная должна сужаться, поскольку вся материя в ней притягивается друг к другу по закону всемирного тяготения, это соответствует как закону Ньютона, так и общей теории относительности. Поэтому Эйнштейн добавил к своим уравнением дополнительный элемент, названный космологической константой и обозначенный буквой греческого алфавита – лямбдой (Λ), который означал некую «упругость» пространства, компенсировавшую гравитацию. В результате получилась математическая модель замкнутой сферической вселенной, содержащей материю, но стабильной, о чем, по мнению Эйнштейна, свидетельствовали небольшие скорости звезд.

В 1916 году, формулируя свои идеи, Эйнштейн обсуждал их с голландским астрономом Виллемом де Ситтером, который вскоре издал собственные размышления на ту же тему. Голландия соблюдала нейтралитет в Первой мировой войне, так что новости от Эйнштейна без серьезных преград добирались из Германии до де Ситтера, а затем – к английским друзьям, в частности к Артуру Эддингтону. Де Ситтер опубликовал свою работу в ежемесячных «Заметках Королевского астрономического общества». Это привлекло внимание англоязычных астрономов к прорыву Эйнштейна, но также показало, что идея богаче, чем думал автор. Де Ситтер обнаружил, что уравнения общей теории относительности также могут использоваться для описания стабильной, но пустой вселенной – космоса, не содержащего материи. Такая вселенная не сжималась бы по причине отсутствия вызывающей гравитацию материи. Для нее космологическая постоянная была не нужна, но при желании ее можно было использовать. Де Ситтер, однако, хотел узнать, не может ли оказаться, что наша Вселенная настолько велика, что даже можно пренебречь наличием в ней звезд и считать пригодной для ее описания модель пустой вселенной. Он внес в пустую вселенную математический эквивалент небольшого количества материи («пробные частицы») и пришел к неожиданному выводу. Если эти частицы излучали свет, то длина его волн растягивалась по мере удаления от частиц; как выразился сам де Ситтер, «частота световых вибраций уменьшалась». Эта форма красного смещения, являющаяся свойством пространственно-временного континуума во вселенной де Ситтера, не является эффектом Доплера, и из нее не следует, что Вселенная расширяется. Но де Ситтер знал о работе Слайфера и стал одним из первых астрономов, поддержавших идею о том, что спиральные туманности находятся на большом расстоянии от Млечного Пути. Эйнштейн был озадачен и написал де Ситтеру, что не может осмыслить происходящее. Но худшее (или с современной точки зрения лучшее) было еще впереди: обнаружилось, что возможных моделей вселенных может быть несколько.

В течение последующих лет несколько ученых пытались использовать уравнения общей теории, применяя их к вселенной или вселенным. Но человеком, который смог буквально взять эти уравнения за шиворот и встряхнуть, придав им новый смысл и определив релятивистскую космологию как науку, стал россиянин Александр Фридман[151].

Фридман родился в 1888 году в Санкт-Петербурге в семье балетного танцовщика и пианистки, которые поженились, когда ему было девятнадцать, а ей всего шестнадцать, и музыкальную карьеру она так и не сделала. В 1896 году, когда Александру исполнилось восемь лет, его родители расстались, отец повторно женился, и мальчик воспитывался с мачехой. Артистическое происхождение не помешало ему увлечься физикой, и в начале XX века он уже был хорошо знаком с последними исследованиями квантовой теории и релятивистики. Александр, как и его родители, рано создал семью – в 23 года, едва окончив Санкт-Петербургский университет. Он продолжал работать в альма-матер еще пару лет, а в 1913 году занял должность метеоролога в Главной геофизической обсерватории в Павловске. Когда разразилась Первая мировая, он вступил добровольцем в авиационный отряд и участвовал в организации аэронавигационной и аэрологической службы русской армии, в том числе совершал опасные для жизни полеты в качестве пассажира и наблюдателя над вражеской территорией (австрийский фронт) и пережил как минимум одну аварийную посадку, был удостоен орденов Святого Георгия и Святого Владимира с мечами. Фридман не пострадал от революции 1917 года, поскольку с юности поддерживал левых и приветствовал новую власть. Он получил место профессора в Пермском университете, но был вынужден бежать, когда во время гражданской войны город заняли белые. В итоге в 1920 году ему удалось поселиться в родном городе, теперь носившем имя Петроград, и заняться метеорологическими исследованиями при Академии наук. Вскоре Фридман уже руководил всеми метеорологическими наблюдениями на территории Советского Союза. Увы, ученого ждала ранняя смерть от тифа[152], подхваченного во время поездки в Крым в 1925 году (к тому времени Санкт-Петербург был переименован еще раз – в Ленинград), всего через три года после публикации его революционных идей в области космологии.

Метеоролог по профессии, Фридман следил за всеми новостями релятивистской теории, включая общую теорию относительности, несмотря на всю сложность исторического периода их развития. Представляется, что он начал размышлять о космологических следствиях из общей теории еще в 1917 году, едва познакомившись с ключевой работой Эйнштейна. Он был занят на основной работе, в стране царил хаос, и на формулировку и публикацию своих умозаключений у ученого ушло несколько лет. Но их появление произвело эффект разорвавшейся бомбы, к тому же, несмотря на строгую математическую форму, ключевые идеи работы Фридмана легко объяснить на популярном уровне.

Главным открытием Фридмана было то, что уравнения Эйнштейна описывают не одну-единственную уникальную вселенную, но допускают создание множества ее моделей. Стационарная вселенная Эйнштейна и пустая вселенная де Ситтера – лишь примеры подобного множества. Одни такие модели выглядят подобно нашей Вселенной, другие отличны от нее. После полного принятия этих идей научным сообществом (в результате публикаций Хаббла и Хьюмасона) ключевым вопросом космологии стал поиск модели, наиболее точно соответствующей реальному миру. В некоторых из моделей использовалась космологическая константа, другие не требовали ее – среди них были самые интересные (то есть самые, кажется, адекватные нашей Вселенной), хотя в 1922 году это, конечно, еще не было очевидно.

Если отбросить наиболее экзотические и представляющие интерес в основном для математиков варианты, модели Фридмана предлагают три основные альтернативы описания Вселенной: все они естественным образом расширяются и не требуют лямбда-члена. Главное, как указывает Фридман, что такое расширение вызывается растяжением самого пространства, а не движением сквозь него какой-то материи. Во вселенной первого типа такое расширение происходит постоянно, хотя и замедляясь со временем из-за гравитации находящейся в ней материи. Поэтому такую вселенную называют открытой. Однако может существовать закрытая вселенная, которая какое-то время расширяется, но затем гравитация становится сильнее этого процесса и заставляет ее снова сжаться. Те и другие могут быть разных видов, с разной скоростью расширения. Но существует и третий, уникальный тип вселенной, находящийся точно посредине. Такая вселенная непрерывно расширяется, постоянно замедляясь, но никогда не останавливаясь окончательно. Она получила название плоской по аналогии с поверхностью сферы или Земли, которая из-за больших размеров может представляться совершенно плоской. Не выдавая слишком много тайн, могу пока сказать, что наша Вселенная неотличима от плоской, хотя может оказаться и открытой, и закрытой.

Перед публикацией своей работы в 1922 году Фридман написал Эйнштейну, прося его одобрения. Ответ коллеги Гамов впоследствии назвал «ворчливым»: Эйнштейн не оценил идеи Фридмана. Но статья была опубликована, и Эйнштейн ответил на нее крохотной заметкой (всего 11 строк!), утверждая, что результаты Фридмана не согласуются с его уравнениями. Затем он обдумал все еще раз и в 1923 году опубликовал еще одну заметку, где брал свои слова назад. Кажется, в тот период Эйнштейн рассматривал решения Фридмана для своих уравнений поля как чисто математически любопытные умозаключения, не имеющие отношения к реальному миру. В сохранившемся в его архиве черновике к заметке 1923 года есть несколько важных слов, не попавших в официальный вариант. Он пишет, что моделям Фридмана «вряд ли можно приписать значимость для физики». Уже через десять лет он будет вынужден изменить свое мнение.

Если бы Фридман продолжал свои исследования, это могло бы случиться и раньше. В 1923 году он изложил свои идеи в книге «Мир как пространство и время»[153], где рассматривал уравнения как таковые, включая очевидное следствие из них, что если Вселенная расширяется, то в прошлом она была меньше, а изначально могла быть очень маленькой. Ему нравилась идея циклической вселенной, которая расширяется из очень небольшого размера (возможно, точки), достигает определенного размера и затем снова сжимается в точку, запуская новый цикл. Он пишет:

И этот текст был опубликован в 1923 году! Это не что иное, как первая научная дискуссия о том, что сейчас известно как Большой взрыв, и первая космологическая оценка возраста Вселенной (преувеличенная всего в несколько раз). Однако в начале 1920-х годов не только Эйнштейн, но и весь научный мир был не готов к революции Фридмана, и после его безвременной кончины некому было продолжить его дело, пока аналогичные идеи не пришли в голову другому ученому.

Заступничество святого отца

Жорж Леметр[154] был моложе Фридмана на шесть лет. Он родился в бельгийском городе Шарлеруа в 1894 году и учился в иезуитском колледже. В 1914 году ему было двадцать лет, он планировал стать гражданским инженером, но пошел добровольцем в армию. Участие в Первой мировой войне, за которое он был награжден Военным крестом, произвело на Жоржа огромное впечатление и побудило молодого человека совместить карьеру ученого с духовным поприщем (хотя первые мечты о священстве появились у него еще в девять лет). В 1920 году он защитил докторскую диссертацию по физике в Левенском университете (тогда в Бельгии это была, скорее, магистерская степень), изучил теологию и в 1923 году был посвящен в сан аббата. Одновременно с богословскими изысканиями Леметр подготовил работу по теории относительности и получил право на годичное бесплатное обучение в Кембридже (1923–1924) у Артура Эддингтона. Последний говорил, что это «блистательный студент, быстро схватывающий, дальновидный и с огромными способностями к математике»{24}. Из Кембриджа Леметр отправился в Гарвардскую обсерваторию, где в 1924–1925 академическом году работал с Харлоу Шепли (к тому времени спор о спиральных туманностях подходил к концу) и, среди прочих, Сесилией Пейн. В Америке Леметр познакомился со Слайфером, побывал на собрании в Вашингтоне, где было объявлено об измерении Хабблом расстояния до туманности Андромеды, и лично посетил ученого, чтобы больше узнать о том, как он рассчитывает дистанции между нами и туманностями. Утверждения коллеги разожгли в нем интерес к применению общей теории относительности в качестве модели реальной Вселенной. Он сразу же заинтересовался физическим значением измерений красного смещения.

Проведенные Леметром в Гарварде исследования привели к присуждению ему докторской степени. Так же как Пейн получила свою степень от колледжа Рэдклифф, поскольку обсерватория в те годы не имела права вручать их, Леметру присвоили ученое звание не там, а в Массачусетском технологическом институте в 1927 году за диссертацию «Гравитационное поле в жидкой сфере однородной инвариантной плотности согласно теории относительности». Соответствующие уравнения применимы, конечно, и к вселенной однородной плотности, но здесь все самое интересное происходит, когда плотность не инвариантна, а меняется с течением времени. Часть этой работы была опубликована в статье 1925 года. В ней Леметр показывает, что радиус такой вселенной рос бы со временем: расстояния между всеми точками в пространстве постоянно увеличивались. Он был первым, кто стал утверждать это относительно реального расширения пространства. Однако никто не обратил на это внимания. К тому времени как американская докторская степень была присуждена, Леметр уже вернулся в Бельгию и начал работу в Левенском университете. Там он глубже занялся проблемой согласования космологических моделей на основе общей теории относительности с красными смещениями в работах Слайфера.

В подходах Леметра и предыдущих исследователей, таких как Фридман (о его работах он в то время еще не знал) и де Ситтер, была принципиальная разница. Ученый с самого начала старался не просто развивать математические модели как таковые, а сопоставлять их с практическими наблюдениями.

Леметр первым предположил, что галактики можно рассматривать как эквивалент частиц в расширяющейся вселенной де Ситтера, но он развил работу де Ситтера (и, что важнее всего, независимо достиг тех же результатов, что и Фридман), найдя решения для уравнений Эйнштейна, в которых размер вселенной (измеренный в смысле расстояний между пробными частицами или, выражаясь технически, в смысле параметра кривизны, иногда называемого радиусом вселенной) претерпевает различные изменения. Он отдавал предпочтение модели закрытой вселенной, в которой этот размер меняется во времени, так что она растет или сжимается. Зная о работах Слайфера, он счел расширяющиеся модели возможным описанием реальной Вселенной, но сохранил космологическую константу, позволявшую ему создавать большое разнообразие возможных вселенных.

Утверждение Слайфера о том, что красное смещение больше для тусклых и далеких галактик, заставило Леметра склоняться к одной конкретной разновидности космологических моделей, в которой скорость[155] галактики пропорциональна расстоянию до нее (закон Хаббла). Он должен был бы называться законом Леметра, но был впервые опубликован в 1927 году в бельгийском журнале, мало известном за пределами страны, и из-за цепочки случайностей не получил широкого распространения вплоть до 1931 года.

Впрочем, название статьи явно должно было привлечь интерес ученых из соответствующих разделов физической науки: «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей». Леметр даже отправил экземпляр Эддингтону, на которого ложится большая часть вины за нераспространение информации об этой статье. А распространять было что. Вот ключевой момент текста:

Это именно тот закон, который ныне известен как закон Хаббла. Леметр использовал красные смещения Слайфера («радиальные скорости»), собранные Густавом Штромбергом в статье 1926 года, и расстояния на основе формулы, выведенной Хабблом в отношении воспринимаемой яркости (величины) галактики к расстоянию до нее. Это был очень грубый способ оценки расстояний, но для Леметра его было достаточно, чтобы определить соотношение между красным смещением и расстоянием: он пришел к результату в 575 км в секунду на 1 Мпк (сейчас он известен как постоянная Хаббла). Леметр тоже вычел скорость движения Млечного Пути, открытую Слайфером. Его результат настолько близок к полученному Хабблом пару лет спустя, что это вызывает резонные подозрения. Как пишет космолог Джим Пиблс в книге «Современная космология», «между этими двумя числами должна быть определенная связь». Правда ли, что тщеславный и напыщенный Хаббл решил вычеркнуть из истории Леметра так же, как он попытался сделать это со Слайфером? Если и так, это вполне в его духе.

Леметр вскоре получил возможность обсудить свою работу с Эйнштейном на научном собрании (Сольвеевской конференции[156]) осенью 1927 года. Тридцать лет спустя в радиоинтервью он вспомнит, что Эйнштейн описал его модель как «недопустимую» с физической точки зрения, что бы там ни говорили уравнения[157], и показался ему очень плохо информированным об астрономических достижениях, в том числе красных смещениях Слайфера. Почти наверняка именно во время бесед с Эйнштейном Леметр впервые узнал о работах Фридмана. Несколько месяцев спустя, в 1928 году, на встрече Международного астрономического союза, де Ситтер тоже отмахнулся от малоизвестного бельгийского аббата[158].

Не огорчившись (или не слишком огорчившись), Леметр продолжил развивать свои идеи. Он не предпринимал титанических усилий по их продвижению, но 3 января 1929 года, пока Хаббл еще не опубликовал первые работы по красным смещениям и расстояниям, изложил на конференции в Брюсселе свое убеждение, что само пространство с течением времени расширяется и порождает красное смещение: это не доплеровский эффект, вызванный движением галактик сквозь космос. Как выразился ученый в работе 1927 года, красные смещения – это «космический эффект расширения вселенной».

Предав свои взгляды огласке и не получив признания, Леметр был по понятным причинам несколько разочарован, когда работы Хаббла и Хьюмасона всего несколько месяцев спустя были приняты научным сообществом и произвели фурор. Он написал Эддингтону, напомнив ему о своей статье 1927 года. Один из студентов Эддингтона Джордж Маквитти впоследствии вспоминал: «Я хорошо помню тот день, когда Эддингтон несколько смущенно показал мне письмо Леметра ‹…› Эддингтон признался, что, прочитав работу Леметра еще в 1927 году, совершенно забыл о ней и не вспоминал до того самого момента»{25}. Желая восстановить справедливость, 7 июня 1930 года Эддингтон опубликовал в журнал Nature письмо, в котором привлекал внимание общественности к работам Леметра, и организовал перевод на английский язык несколько пересмотренной версии работы 1927 года (теперь в ней упоминался Фридман, но, что интересно, отсутствовала оценка постоянной Хаббла) и ее публикацию в «Заметках Королевского астрономического общества» за 1931 год. Но еще до обнародования англоязычного варианта эта работа успела обрести популярность благодаря упоминаниям Эддингтона и де Ситтера, узнавшего о ней от Эддингтона. Именно тогда Леметр был признан крупнейшим ученым-космологом, и именно он смог вывести исследования на новый уровень, представив идею Большого взрыва.

В начале 1930-х годов после публикации работ Хаббла и Хьюмасона идея расширяющейся вселенной получила широкое признание (хоть и не у самого Хаббла, который предпочитал делать наблюдения и измерения, а не формулировать гипотезы). Даже Эйнштейн наконец смирился с очевидным и признал это публично в апреле 1931 года на научном собрании в Пасадене. Но из какого исходного состояния расширяется Вселенная? В 1927 году Леметр предположил, что наблюдаемое расширение началось из стационарного состояния, как у вселенной Эйнштейна, и что до такого расширения Вселенная колебалась на грани его начала неопределенный период времени (возможно, вечность). Это был один из наиболее мистических вариантов, допускаемых использованием космологической постоянной. Но ко времени одобрения со стороны Эйнштейна ученый уже работал над другой идеей.

В январе 1931 года Эддингтон выступил на собрании Британской математической ассоциации с лекцией, позже опубликованной в журнале Nature. В ней он представил расширяющуюся Вселенную в ретроспективе: галактики постепенно сближаются и в конце концов сливаются воедино. Мысль о том, что у Вселенной когда-то было начало, он назвал «совершенно невыносимой». Позже в том же году Леметр ответил ему в том же журнале статьей под броским названием «Начало мира с точки зрения квантовой теории», в которой писал, что начало Вселенной «настолько далеко от современного положения вещей в природе, что совсем не кажется невыносимым», и рассуждал, что «мы можем представить начало вселенной в форме уникального атома, из атомного веса которого происходит вся масса вселенной. Этот в высшей степени нестабильный атом разделился на все меньшие и меньшие атомы посредством некоторого вида сверхрадиоактивного процесса». Это была просто догадка, и Леметр говорит здесь, скорее, о первичном атомном ядре, а не о целом атоме. Но вся обозримая Вселенная могла бы расшириться из первичного объекта, при ядерной плотности имеющего диаметр всего в 30 раз превышающий диаметр Солнца и вмещающийся в орбиту Земли. «Естественно, – пишет Леметр, – не стоит придавать слишком много значения этому описанию первичного атома». Он признавал, что «по мере совершенствования наших познаний об атомном ядре его наверняка придется изменить». Главной идеей его работы было то, что Вселенная образовалась из сверхплотного состояния путем мощного воздействия – «фейерверка», как он сам его назвал.

Леметр развил свои идеи и ввел термин «космическое яйцо» для описания сверхплотного объекта, из которого возникла Вселенная в современном виде. В итоге появилась книга «Гипотеза первичного атома», опубликованная в 1946 году. Идеи Леметра сильно повлияли на работу Георгия Гамова и его коллектива над тем, что сейчас называется теорией Большого взрыва (см. Пролог). Однако и в 1930-х, и в 1940-х, и даже позже эта идея казалась чрезмерно сложной. Ее временные рамки были слишком короткими. Если использовать значение обнаруженной Леметром и Хабблом постоянной Хаббла, то время, прошедшее с прорыва космического яйца (или Большого взрыва), составит всего примерно миллиард лет – намного меньше, чем уточненный к тому времени возраст Солнца и звезд. Леметр предположил, что обойти эту проблему можно с помощью космологической постоянной. Согласно уравнениям, вселенная могла начать расширяться из сверхплотного состояния, потом замедлить скорость расширения почти до нуля и колебаться в этом состоянии сколь угодно долго до начала дальнейшего расширения[159]. Но даже в 1930-х это выглядело уже натянуто. Тем не менее интересно, что Леметр, для которого всегда была очень важна физическая значимость уравнений Эйнштейна, никогда не исключал из моделей лямбду и считал, что она представляет реально существующий физический компонент Вселенной – энергию вакуума. Однако идея расширения Вселенной в ее ныне общепринятой версии, с новой силой поднявшая вопрос о возрасте звезд, была сформулирована в 1932 году и оставалась незыблемой до конца XX века. Одним из ее авторов стал сам Эйнштейн, хотя изначально, втайне от коллег, он вынашивал более радикальную идею.

Пропавшая модель Эйнштейна

В 1931 году, вскоре после посещения Маунт-Вилсона и встречи с Хабблом, Эйнштейну пришла в голову идея стационарной вселенной, бесконечно старой и вечно расширяющейся, в которой непрерывно создается новая материя, или новые галактики, заполняющие зазоры между существующими по мере растягивания пространства. Он даже написал черновой вариант статьи на немецком языке под названием «О космологической проблеме», но затем решил, что в аргументацию вкралась ошибка, и отложил работу до лучших времен. Этот документ сохранился в архивах ученого и был обнаружен после его смерти, однако в течение долгих десятилетий считался наброском к другой публикации с тем же заголовком и не изучался или изучался без должного внимания. Лишь в 2013 году ее значимость осознали Кормак О’Раферти и Брендан Макканн из Уотерфордского технологического института, и в 2014 году она была переведена на английский и опубликована.

В начале 1931 года Эйнштейн уже понимал разумность идеи расширения Вселенной, но, не желая смириться с тем, что она изменяется со временем, продолжал искать способ примирить эти две концепции. Теория стационарной Вселенной кажется очень подходящей: наблюдаемый из любой галактики космос всегда выглядит приблизительно одинаково, даже несмотря на угасание одних галактик и появление других. Можно сравнить ее с древним лесом или джунглями: они существуют тысячи лет в, казалось бы, неизменном виде, но за это время выросли, засохли, рухнули и были замещены новыми множество поколений деревьев. Сама по себе идея достаточно очевидная, но Эйнштейн со своим характером желал облечь ее в математическую структуру общей теории относительности.

Он смог сделать это, манипулируя космологической постоянной, которая уже не нужна была ему для остановки расширения пространства. Или, выражаясь его собственными словами, «от этого решения [теперь] почти наверняка необходимо отказаться для теоретического понимания пространства в его истинном виде». Ошибаясь в написании фамилии Хаббла, как он это делал во всех своих работах того времени, он продолжает:

Эйнштейн предположил, что расширение вселенной стимулируется появлением новой материи, необходимой для поддержания общей плотности вселенной на постоянном уровне. Он пишет:

Это удивительно похоже на идею «полей творения» (C-field), предложенную в конце 1940-х годов Фредом Хойлом, не имевшим ни малейшего представления о неопубликованной работе Эйнштейна. В отличие от Хойла, вместо того чтобы вводить отдельное поле, Эйнштейн описал процесс творения с помощью космологической постоянной. Однако в этот момент, как он вскоре понял, его аргументация развалилась. Подходящим решением уравнений с таким применением постоянной стало бы пустое пространство (с нулевой плотностью) и в силу этого невозможностью создания материи! Рукописные пометки автора доказывают, что он понял свою ошибку, но современные читатели остаются в недоумении, почему он не ввел отдельное поле творения, как Хойл. Вероятнее всего, это связано с убеждением Эйнштейна, что Вселенная должна быть простой (вспомним, что впоследствии он называл введение космологической постоянной своим величайшим промахом). Эта любовь к простоте вскоре проявилась еще в одной космологической модели, которую ученый разработал совместно с голландским астрономом Виллемом де Ситтером и опубликовал в 1932 году.

Чем проще, тем лучше

В том же 1932 году Джеймс Джинс[161], британский физик и знаменитый популяризатор научного знания, писал:

Здесь подчеркнута разница между моделью Эйнштейна – де Ситтера и идеями каждого из них по отдельности до исследований Хаббла (и Леметра). Одной из ключевых особенностей модели, разработанной Эйнштейном и де Ситтером, стала ее согласованность с наблюдениями, а не с чистым интересом к математическому аспекту общей теории относительности, как это было в ранних работах Фридмана, де Ситтера или даже Эйнштейна. Совместная статья Эйнштейна и де Ситтера, написанная в январе и опубликованная в марте 1932 года, называлась «О соотношении расширения и средней плотности Вселенной». В ней всего две странички, и в некотором смысле в работе не говорится о космологических моделях ничего нового, не сказанного ранее Фридманом и Леметром. Поэтому иногда приходится слышать, будто она была опубликована и замечена лишь из-за громкого имени Эйнштейна. Однако это неверно. Важность статьи заключается в попытке описания реальной Вселенной, а не абстрактной математической модели. В ее названии упомянута Вселенная, а не вселенная. Это важнейший шаг вперед.

Эйнштейн и де Ситтер знали, что Вселенная расширяется – им даже была известна скорость этого процесса (постоянная Хаббла), хотя сегодня мы знаем, что она значительно преувеличена. Другой поддающейся наблюдению характеристикой Вселенной, как они понимали, была плотность, для оценки которой следовало подсчитать число галактик (и количество вещества во всех звездах в них) на единицу космического пространства. Этих двух чисел хватило бы для определения судьбы Вселенной: расширяется ли она достаточно быстро, чтобы преодолевать гравитационное сжатие и продолжать это расширение вечно (открытая Вселенная с отрицательной кривизной), или же ее плотность достаточно велика, чтобы вначале остановить расширение, а затем вынудить Вселенную сжаться обратно в сверхплотное состояние (закрытая Вселенная с положительной кривизной). Однако существует всего один особый случай – чуть ли не самое простое решение уравнений, – именно он привлек внимание Эйнштейна и де Ситтера.

Вселенная, находящаяся точно между состояниями открытой и закрытой (так называемая плоская вселенная), может быть достаточно просто описана математически с помощью уравнений общей теории относительности. Кроме того, в самом простом виде эта вселенная гомогенна (однородна) и изотропна (одинакова во всех направлениях). Как мы уже видели, Фридман первым открыл плоскую модель вселенной наряду с другими возможными математическими построениями. Но он не увязал ее с наблюдениями за реальной Вселенной. Не сделал этого и Леметр. Именно это выделяет работу Эйнштейна – де Ситтера 1932 года. Они указали, что если значение постоянной Хаббла известно, то можно рассчитать плотность плоской Вселенной и сравнить ее с реальными наблюдениями. Для постоянной Хаббла в 500 км в секунду на мегапарсек требуемая плотность равнялась бы 4 × 10⁻²⁸ грамма материи на кубический сантиметр пространства. Поскольку современные оценки постоянной Хаббла по причинам, которые скоро станут очевидны, сегодня почти в десять раз меньше, чем думал сам Хаббл, современный вариант этих вычислений дает меньшую плотность – чуть больше 10⁻²⁹ грамм на кубический сантиметр. Если бы вся эта материя имела форму атомов водорода и была распространена равномерно, она была бы аналогична одному атому на миллион кубических сантиметров космоса.

Стоит отметить, что эти рассуждения в свое время использовались как мощный аргумент в пользу стационарной Вселенной. Чтобы заполнить появляющиеся пустые пространства в расширяющейся вселенной, достаточно создавать по нескольку атомов водорода то тут, то там. Как повторял Фред Хойл, это в принципе не более сомнительно, чем мысль, что вся материя во Вселенной появилась одновременно при Большом взрыве. В наши дни Хойла порой представляют безумным ученым со странными идеями, но (как подтверждает и тот факт, что схожие концепции обдумывал и Эйнштейн) в его время (вплоть до открытия реликтового излучения) стационарная модель рассматривалась как полноправная альтернатива модели Большого взрыва.

В 1930-е годы было уже ясно, что даже во всех ярчайших звездах видимых галактик не хватит материи, чтобы утверждать, что Вселенная плоская. Но было также ясно, что объем материи ненамного меньше, чем требуется, конечно, с учетом разнообразия математических конструкций. Космологи не рассуждали терминами числа атомов водорода на миллион кубических сантиметров, они использовали так называемый параметр плотности, обычно обозначаемый греческой буквой «омега» (Ω), исходя из того, что в плоской вселенной Ω = 1. Если во Вселенной вдвое меньше материи, чем нужно для ее плоской модели, то Ω = 0,5; если там всего треть необходимого объема, то Ω = 0,3 и так далее. Количество видимой материи в нашей Вселенной дает приблизительно Ω = 0,1, то есть мы наблюдаем примерно в десять (или чуть более) раз меньше вещества, чем требовалось бы для того, чтобы считать нашу Вселенную плоской. Разница кажется значительной, но уравнения допускают любое значение Ω в моделях вселенных – например, она могла бы равняться одному миллиарду или одной миллиардной, триллиону триллионов или одной триллионной части одной триллионной части и так далее. Поэтому еще в начале 1930-х годов, когда космология впервые стала искать количественные выражения своих принципов, стало очевидно, что плотность реальной Вселенной подозрительно близка к значению, необходимому для ее плоского состояния{26}. Эйнштейн и де Ситтер сочли разумным предположить, что она и есть плоская, просто мы видим не все ее содержимое. Хотя оценки плотности Вселенной в 1932 году не вполне соответствовали этой модели, ученые писали:

Чтобы добиться значения Ω = 1, достаточно обнаружить необходимое количество невидимой материи (сейчас мы называем ее темной), дополняющей материю ярких звезд. Хотя в тот момент идея темной материи, обеспечивающей Вселенной плоскую модель, не была принята всерьез, существует и другой способ примирить наблюдения с концепцией плоской Вселенной – уточнить постоянную Хаббла в надежде, что тот ее переоценил. Если ее значение окажется достаточно малым, то Вселенная сможет быть признана плоской даже без сокращения ее плотности (это также повысит оценку времени, прошедшего с момента Большого взрыва, и, возможно, согласует между собой оценки возраста Вселенной и звезд). В итоге модель Эйнштейна – де Ситтера (плоская, гомогенная и изотропная) стала краеугольным камнем космологии (отчасти из-за ее максимальной простоты). Ее преподавали многим поколениям студентов (в том числе и мне), несмотря на неясность значения Ω и постоянной Хаббла[162]. В течение нескольких десятилетий усилия космологов ограничивались поисками постоянной Хаббла, поскольку более ничего предпринять было нельзя. Затем, как мы увидим, стало возможным оценить количество темной материи во Вселенной и точно выяснить значение Ω.

Сквозь Вселенную

Еще один Большой спор

В 1947 году Королевское астрономическое общество попросило молодого австрийского исследователя Германа Бонди, работавшего тогда в Кембриджском университете, обобщить космологические знания того времени. В итоге появилась чрезвычайно важная статья, стимулировавшая развитие космологической мысли в Великобритании[173]. Бонди включил в нее все описанные здесь идеи (и не только), сделав акцент на огромном потенциале общей теории относительности в приложении к космологии. Он также указал на важнейший научный вопрос своего времени: «Некоторые модели вселенной предполагают ее рождение из катастрофы, в то время как другие теоретики более консервативны и не допускают концепции возникновения вселенной в результате взрыва». Обратите внимание, что в конце 1940-х годов консервативный взгляд заключался в том, что взрыва не было. При подготовке статьи Бонди обсудил ее содержание с Хойлом и американским астрономом и физиком австрийского происхождения Томми Голдом. Бонди и Хойла особенно волновал тот факт, что разработанные в 1920–1930-х годах математические решения уравнений Эйнштейна не содержали объяснений существования материи (кроме фейерверков Леметра, которые представлялись им неудовлетворительными с философской точки зрения). Но у Голда появилась отличная идея, которая навела их на разработку стационарной модели.

Как-то вечером все трое коллег отправились в кино на фильм ужасов «Глубокой ночью»[174], построенный на идее повторяющегося кошмара. У сюжета нет начала и конца: с какого бы места вы ни начали смотреть, в итоге этот эпизод повторится и впечатление от фильма не будет нарушено. Несколько дней спустя Голд предположил, что аналогично может быть устроена и Вселенная. Ее тоже можно «начать смотреть» с любого места, и она, вероятно, не имеет ни начала, ни конца. Так появилась альтернатива леметровским фейерверкам: расширяющаяся вселенная, которая в целом постоянно выглядит одинаково, где в промежутках между разбегающимися галактиками возникает новая материя – постепенно, а не вся сразу[175]. Поначалу идея непрерывного творения внушила им отвращение[176], но затем они убедили себя, что их вариант ничем не хуже: в конце концов, должна же была материя откуда-то взяться.

Сначала ученые хотели опубликовать единую работу под всеми тремя именами. Но быстро выяснилось, что их позиции разнятся: Бонди и Голд больше интересовались некими философскими аспектами модели, в то время как Хойл пытался увязать ее с общей теорией относительности. Чтобы добиться этого, он ввел уже упоминавшееся в начале этой главы понятие поля творения (C-field) в контексте расширения вселенной. В книге воспоминаний «Дом там, где дует ветер» Хойл находит изящное объяснение: чтобы компенсировать положительную энергию вновь созданных частиц, поле творения привносит во Вселенную отрицательный заряд, и это вызывает расширение пространства. Хойл утверждал, что этот вывод сам собой родился из уравнений и «очень удивил» его. Стационарная вселенная расширяется именно потому, что творение непрерывно и в общем и целом ее энергетический заряд сбалансирован: он не становится ни меньше, ни больше. В 1948 году ученый заявил, что новые частицы, вероятнее всего, представляют собой нейтроны (поскольку нейтроны спонтанно распадаются на протоны и электроны – составные части атомов водорода) и создаются в расширяющемся пустом пространстве со скоростью, равной одному атому водорода на кубический метр за 10 млрд лет. Этот тезис, в свою очередь, заставил его исследовать синтез других элементов внутри звезд… Итак, в 1948 году в свет вышли две отдельные работы: одна Бонди и Голда, другая Хойла.

Суть подхода Бонди и Голда хорошо отражена в предложенном ими понятии «совершенного» космологического принципа. Обычный космологический принцип гласит, что Вселенная выглядит отовсюду практически одинаково и к ней везде применимы единые законы физики. «Совершенный» космологический принцип добавляет, что Вселенная выглядит практически одинаково еще и в любой момент времени. Хойл ненавидел это название и в своих отзывах о работе Бонди и Голда предпочитал называть их версию космологического принципа расширенной. Историк Саймон Миттон суммировал различие подходов ученых следующим образом: Бонди и Голд шли от философии и пытались подобрать к ней модель, а Хойл шел от уравнений и пытался уже на них основать философию.

Итогом стала развернувшаяся в 1950-е годы дискуссия между теориями Большого взрыва и стационарной, или стабильной, Вселенной, которые сначала считались практически равнозначными (правда, в стационарную модель верило больше ученых). К счастью, существовал способ проверить, какая из этих моделей лучше описывает реальную Вселенную. Если справедлива стационарная версия, число галактик в заданном объеме пространства (численная плотность) должно быть стабильным во все времена. Если же верна теория Большого взрыва, то раньше эта плотность была больше. Вопрос в том, можно ли утверждать, что плотность галактик увеличивается с ростом их удаленности от нас, ведь удаленные галактики мы видим такими, какими они были много миллионов лет назад.

Как раз в это время, после изобретения радара во время Второй мировой войны, появилась радиоастрономия и было обнаружено, что некоторые галактики излучают значительно больше энергии на длинах радиоволн, чем в форме видимого света. Это означало, что их можно «увидеть» на значительно большем расстоянии, чем обеспечивает телескоп. Тогда не существовало способов измерения расстояний до этих «незримых» галактик, но в принципе представлялось разумным, что чем сильнее сигнал, тем ближе такая радиогалактика к нам; аналогичный принцип исповедовал Хаббл в отношении видимых галактик.

Подсчет тусклых радиогалактик был начат группой кембриджских радиоастрономов под руководством Мартина Райла[177]. Хойл и Райл находились в отношениях, далеких от дружеских, и Райл постарался сделать так, чтобы теоретики ничего не знали о его исследованиях до момента обнародования результатов. В 1955 году он выступил в Оксфордском университете с лекцией, на которой заявил: «Представляется, что наблюдения никак не могут быть объяснены в рамках стационарной теории». Впрочем, это заключение было преждевременным. В том же году австралийские радиоастрономы сообщили, что их подсчеты галактик соответствуют предсказаниям стабильной модели. Оказалось, что в кембриджские расчеты вкралась ошибка[178] – стремление Райла посрамить Хойла сделало его слишком самоуверенным. Чтобы решить наконец проблему, необходимо было провести намного более масштабное исследование с использованием самых передовых телескопов с максимальным разрешением, позволяющих заглянуть насколько возможно далеко в глубь Вселенной и веков. В начале 1960-х годов дискуссия начала подкрепляться результатами подобных исследований: они медленно (и не совсем верно) стали сдвигать баланс мнений в сторону стационарной модели. Но все эти исследования померкли (по крайней мере, в контексте происхождения Вселенной) перед открытием космического микроволнового фонового излучения. Примерно на этом месте мы начали повествование в нулевой части книги, пришла пора пойти дальше.

Хотя открытие и исследование реликтового излучения склонило множество ученых к модели Большого взрыва, в середине 1960-х годов все еще велись споры относительно значения постоянной Хаббла и явного противоречия между предполагаемым возрастом Вселенной и расчетным возрастом самых старых звезд. В течение последующих лет наблюдения постепенно уточнялись, внося некоторую ясность, однако должно было пройти еще три десятилетия, прежде чем новейшая технология привела к столь же важному прорыву, каким было открытие Хаббла и Хьюмасона. Этой новой технологией стал космический телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST), позволяющий ученым увидеть Вселенную в недостижимых ранее подробностях и завершить калибровку шкалы расстояний на основе цефеид, начатую самим Хабблом. Важность этого аспекта миссии телескопа подчеркнута коллективом работающих с ним исследователей: они назвали своим ключевым проектом определение значения переменной Хаббла с точностью до 10 % или менее с использованием в целом тех же основных приемов, которые применял Хаббл. Все остальное в работе HST, включая прославившие его великолепные фотографии космических объектов, не столь важно.

Долгий триумфальный путь

Заявленной целью Ключевого проекта было использование измерений расстояний по цефеидам до двух десятков галактик (в каждой из них было изучено множество звезд) для калибровки шкалы расстояний и выяснения значения Н. Это был небыстрый процесс. Каждую цефеиду приходилось изучать сразу на двух длинах волн, чтобы нивелировать затемняющий эффект космической пыли, и каждое из таких наблюдений занимало два оборота вокруг Земли (более трех часов). Затем наблюдения приходилось повторять через несколько недель или месяцев, чтобы выяснить период конкретной цефеиды. Уже после запуска HST в апреле 1990 года в оптике телескопа обнаружился дефект. Его удалось устранить лишь в декабре 1993 года, направив к спутнику миссию с людьми на борту, таким образом, Ключевой проект, по сути, начался лишь в 1994 году. Когда телескоп начал передавать первые результаты и они были донесены до научного сообщества (хотя на их основе еще нельзя было сделать вывод о значении постоянной Хаббла), дискуссии о шкале расстояний во Вселенной вновь оживились. На этом этапе свой скромный вклад в эту историю удалось сделать и вашему покорному слуге.

Первые результаты Ключевого проекта позволяли оценить значение постоянной Хаббла примерно в 80 обычных единиц, но с погрешностью примерно в 20 %, то есть истинное значение могло составлять и 64, и 96. Вспомнив замечание Эддингтона о заурядности Млечного Пути, я с уверенностью заявил коллегам по Сассекскому университету, что если Млечный Путь – лишь обычная спиральная галактика, то наиболее вероятное значение лежит ближе к нижней границе этого диапазона (мое замечание было сделано после семинара по этой теме, ведущий которого настаивал на более высоком значении). Чем больше величина Н, тем ближе должны находиться окружающие галактики и тем мельче оказывается их истинный размер, делая нашу Галактику континентом среди островков.

К моему удивлению, двое коллег, Саймон Гудвин и Мартин Хендри, взялись проверить мою случайную ремарку. Они предложили использовать данные «Хаббла» и другие наблюдения, чтобы узнать, действительно ли Млечный Путь – средняя по размеру спиральная галактика, и если так и окажется, то использовать этот факт для выяснения значения Н. Подробнее об этом проекте я рассказывал в книге The Birth of Time («Рождение времени»), но даже краткое описание будет несложно понять. Сначала, изучив семнадцать ближайших к нам спиральных галактик, расстояния до которых определены достаточно точно (до некоторых по наблюдениям с Земли, до других – с HST), и выяснив их реальные размеры на основе видимых, мы обнаружили, что наша Галактика чуть меньше средней (диаметр Млечного Пути составляет 26,8 килопарсек при среднем показателе 28,3). Надеемся, Эддингтон одобрил бы наши усилия. Затем мы воспользовались данными из каталога RC3 (сокращение от английского названия третьего издания Реферативного каталога ярких галактик), где указаны красные смещения для 3827 спиральных галактик. Используя компьютерное моделирование, мы меняли значение Н и положение галактик относительно Млечного Пути, пока не нашли значение, при котором средний размер тысяч этих галактик не стал равным среднему размеру галактик из нашей местной выборки (17 штук плюс сам Млечный Путь). Значение постоянной Хаббла, к которому мы пришли и которое опубликовали в 1997 году, получилось примерно равным 60. На самом деле наши подсчеты были достаточно грубыми, но самым значимым выводом проекта стало то, что, говоря статистически, шанс, что Н больше 75, равен всего одному к двадцати. Мы точно выяснили, что истинное значение Н лежит ближе к нижней границе диапазона, найденного сотрудниками HST.

Чем больше данных наблюдений за галактиками отправлял на Землю «Хаббл», тем яснее становилось, что по мере уточнения расчетов Ключевой проект приведет к аналогичным выводам. Окончательные его результаты были обнародованы в 2001 году и основывались на данных цефеид и других объектов, откалиброванных с помощью расстояний до этих звезд на дальность до 400 млн парсек (Мпк). Были и другие индикаторы расстояний, откалиброванные по цефеидам, например сверхновые звезды. В итоге удалось прийти к заключению, что метод цефеид, взятый отдельно, дает значение Н = 71 ± 8, а с учетом других измерений, включая данные по сверхновым, выходит 72 ± 8. Так был завершен проект, начатый Эдвином Хабблом более чем за 70 лет до этого. Путь традиционных способов определения Н (и, соответственно, возраста Вселенной) через измерение расстояний до галактик с учетом красных смещений был пройден до конца. В начале XXI века были внесены небольшие уточнения, но они не изменили общей картины[179].

Впрочем, вы могли заметить, что в полученном значении кроется проблема. Во вселенной Эйнштейна – де Ситтера значение Н = 72 предполагает, что возраст Вселенной составляет около 9 млрд лет – намного меньше, чем у самых старых звезд, как его понимали в то время. К 2001 году стало очевидно, что наша Вселенная просто не соответствует этой модели. Доказательства были получены из различных источников, не в последнюю очередь из спутниковых наблюдений за реликтовым излучением.

Не слишком ли идеально?

Первым спутником Земли, запущенным специально для изучения реликтового излучения еще в 1983 году, стал советский «РЕЛИКТ-1». Он доказал осуществимость подобных миссий, но был недостаточно чувствительным, чтобы подтвердить неоднородность излучения в разных точках неба. А сделать это было необходимо, ведь если излучение действительно было отзвуком Большого взрыва, оно должно хранить следы колебаний ранних дней Вселенной, которая развивалась, порождая галактики, которые мы видим сегодня. К началу 1980-х годов космологов уже тревожила кажущаяся излишняя равномерность реликтового излучения: вытекавшая из нее плоскостность Вселенной – баланс между расширением и сжатием – казалась слишком идеальной моделью. Критическая плотность, необходимая для плоскостности Вселенной, должна меняться со временем (она неодинакова для разных космических эпох). Уравнения Эйнштейна говорят нам, что если вселенная рождена из Большого взрыва и ее плотность чуть-чуть больше необходимой для плоской модели, то это отклонение со временем будет возрастать, поскольку наличие излишней материи станет замедлять расширение и поддерживать высокую плотность пространства. И наоборот, если изначально плотность вселенной чуть меньше критической, эта разница начнет увеличиваться в другую сторону, заставляя материю распределяться все менее и менее плотно. Абсолютная плоскостность – наименее вероятная модель из всех возможных[180].

Хотя все и раньше знали об этой проблеме, никто не придавал ей большого значения до тех пор, пока Роберт Дикке и Джим Пиблс, два принстонских исследователя, занимавшихся обнаружением реликтового излучения в середине 1960-х годов, в конце 1970-х не привлекли к ней внимание ученых. В попытках объяснить плоскостность современной Вселенной, ранее исследователи пришли к выводу, что плотность во время Большого взрыва должна была составлять не более одной квадриллионной (1/10¹⁵) от критической плотности для того времени. Было очевидно, что этот показатель может сообщить нам нечто важное о рождении Вселенной, но никто не знал, что именно, – вплоть до 6 декабря 1979 года. Алан Гут[181], молодой исследователь из Корнелльского университета, весной того же года присутствовал на лекции Дикке о проблеме плоской Вселенной. Заинтригованный этой загадкой мироздания, он все время держал ее в голове и старался читать о космологии как можно больше. В октябре он на год переехал в Стэнфорд для работы в Центре линейных ускорителей. Знания о физике частиц стали увязываться в его голове с космологическими данными, и 6 декабря после обсуждения любимой темы с приехавшим из Гарварда Сидни Коулманом[182] его осенило. Он просидел за рабочим столом до утра и в пятницу, 7 декабря 1979 года, внес в записную книжку под громким заголовком «ПОТРЯСАЮЩЕЕ ПРОЗРЕНИЕ» свое действительно важное открытие. Он понимал, что натолкнулся на нечто очень важное.

Гут понял, что при создании Вселенной в первую долю секунды произошел процесс, называемый нарушением симметрии, и в его рамках – фазовый переход, подобный тому, как пар конденсируется в воду и выделяет энергию. Именно мощное выделение энергии запустило процесс стремительного расширения – Гут назвал его инфляцией, буквально «раздуванием», – закончившийся Большим взрывом. (Инфляцию часто включают в понятие Большого взрыва, но важно понимать, что она предшествовала ему.) В процессе этого раздувания размер Вселенной увеличивался по экспоненте, удваиваясь каждую 10⁻³⁸ долю секунды, то есть все в наблюдаемой нами Вселенной «надулось» из некоего первичного состояния в миллиард раз меньше протона до размера баскетбольного мяча примерно за 10⁻³⁰ секунды (при этой скорости за примерно такой же срок теннисный мячик мог бы увеличиться до размеров видимого космоса). И только тогда произошел Большой взрыв[183]. Видимая нами Вселенная столь однородна потому, что она образовалась из столь крохотного состояния, в котором не было условий для разницы плотностей. Эта модель также решает и проблему плоскостности: инфляция уплощает Вселенную таким же образом, как становится плоской поверхность надуваемого шарика или любой другой растущей сферы. Поверхность теннисного мячика, представляющая собой двухмерный объект, обернутый вокруг третьего измерения, явно имеет круглую форму, но если мы надуем его до размеров видимой Вселенной и попытаемся исследовать его поверхность, то никакие измерения не смогут заметить ее отклонение от плоскостности. То же происходит и с реальной Вселенной (только в трех, а не в двух измерениях[184]). Само же первичное состояние в рамках этой модели может объясняться так называемой квантовой флуктуацией – небольшим искажением ткани пространственно-временного континуума, которое не успело исчезнуть и подверглось инфляции.

В довершение всего во время инфляции в зарождающейся Вселенной возникают новые квантовые флуктуации, которые тоже подвергаются инфляции, оставляя рябь на структуре материи, с которой затем происходит Большой взрыв. Эта рябь, часто именуемая анизотропией, становится зачатком таких структур, как галактики (точнее, скопления и сверхскопления галактик), и она должна была оставить свой след в реликтовом излучении. Если попытаться отследить историю Вселенной, основываясь на флуктуациях наблюдаемого сегодня излучения, надо ориентироваться на разницу в температуре этого излучения в разных частях неба. Она составляет примерно одну стотысячную часть, то есть для температуры около 2,7 К колебания составят ±0,00003 К. Если же идти от теории инфляции, можно предсказать, где именно на небе будут видны следы этих «раздутых» квантовых флуктуаций. Инфляция должна была оставить на небосклоне явный отпечаток, если только у нас есть достаточно точные датчики, чтобы уловить его. Неудивительно, что «РЕЛИКТ-1» (кстати, «РЕЛИКТ-2» так и не был запущен) не сумел зафиксировать эти тончайшие отклонения. Но уже у следующего спутника, запущенного для изучения реликтового излучения, были более чувствительные датчики.

Спутник COBE (COsmic Background Explorer – исследователь космического фона) был запущен НАСА в ноябре 1989 года. Даже небольшие по масштабу радиочастотные датчики удобнее размещать на орбите, а не вести наблюдения с Земли: так проще устранить помехи от газа и пыли Млечного Пути. На коротких длинах волн (вплоть до инфракрасных) эти помехи слабее, но там вступают в игру водяные испарения, наполняющие нашу атмосферу. Они мешают излучению достичь поверхности Земли. Поэтому спутники наблюдения приобретают в чувствительности намного больше того, что теряют, уменьшившись в размерах относительно земных телескопов. (Кстати, по той же причине обсерватории располагают на вершинах гор, либо в холодном сухом воздухе Антарктики, либо поднимают аппаратуру на воздушных шарах.)

Первые наблюдения COBE показали, что спектр реликтового излучения представляет собой кривую излучения идеального черного тела, соответствующего температуре в 2,725 К. Результаты были представлены на встрече Американского астрономического общества 13 января 1990 года. Когда Джон Матер[185], основатель проекта СОВЕ, открыл слайд, демонстрирующий впечатляющую согласованность теории и наблюдений, аудитория разразилась овацией. Но это было лишь начало[186]. Предстояло проделать большую, трудоемкую работу.

На сканирование всего неба у датчиков на спутнике ушло больше года: каждый из трех приборов произвел 70 миллионов измерений. На анализ полученных данных и объединение измерений в единую карту неба, отображающую колебания температуры реликтового излучения, коллективу проекта понадобилось несколько месяцев. Наконец в 1992 году они объявили, что такие колебания действительно существуют: самые «горячие» точки неба на три стотысячных градуса теплее, а «холодные» холоднее среднего. Эти колебания однородны: например, нельзя сказать, что крупные горячие точки теплее малых, и так далее. Наблюдения в точности соответствовали предсказаниям о виде и размере тех флуктуаций, которые должны были отпечататься на Вселенной в момент инфляции, доказывая присутствие в первый период существования Вселенной небольших неоднородностей в плотности материи (из которых затем образовались скопления галактик). Вселенная оказалась не такой уж и идеальной. Что же еще могли обнаружить исследования реликтового излучения? Успех миссии СОВЕ спровоцировал ряд нацеленных на более подробное изучение экспериментов на земле, в стратосфере и космосе. Но подобные проекты всегда занимают много времени: так, Матер задумал СОВЕ еще в 1974 году, всего через десять лет после открытия реликтового излучения и за пятнадцать лет до реального запуска спутника. Поэтому за время планирования проектов наши представления о Вселенной порой успевали измениться.

Темная сторона

Астрономы (по крайней мере, некоторые из них) еще с 1930-х годов знали, что далеко не все во Вселенной подвластно нашему зрению. Но лишь в конце XX века они поняли, что на самом деле то, что мы можем увидеть и из чего состоим мы сами, так называемая барионная материя[187], составляет лишь незначительную часть Вселенной.

В 1930-х голландский астроном Ян Оорт[188] изучал движение звезд в пределах Млечного Пути и нашел свидетельства того, что материя в нем далеко не ограничивается той видимой, из которой состоят звезды. Светила, подобные Солнцу, движутся по приближенным к окружности орбитам вокруг центра Галактики, внутри диска Млечного Пути, сдвигаясь в рамках этих орбит то кверху, то книзу, иногда выходя из основной массы галактики и возвращаясь в нее. Движение отдельных звезд нельзя изучать на протяжении тысяч лет, но, как обычно, можно попытаться сделать это с помощью статистики распределения звезд и их скоростей. А эта статистика говорит о том, что движение ярких звезд определяется не только притяжением других светил, но и некой невидимой, темной материи. В 1930-е годы никто не придал этому большого значения, поскольку предполагалось, что между звездами много газа и пыли. Но сейчас мы знаем, что этот тип темной материи, по сути близкий к тому, из чего состоим мы (барионная материя – то же, что атомная, то есть включающая протоны, нейтроны и электроны), имеет примерно ту же массу, что и все яркие звезды в Галактике. Но даже эта масса недостаточна для объяснения движения звезд Млечного Пути.

Проводя исследования в намного более крупном масштабе, швейцарский астроном Фриц Цвикки[189], работавший в те же годы в Калтехе, получил доказательства существования темной материи путем изучения скоплений галактик. Массу можно предсказать по яркости галактики, а та зависит от числа входящих в нее звезд. Сложив массы галактик, получаем массу всего скопления. Скорости взаимного движения отдельных галактик в скоплении определяются по доплеровскому эффекту (за вычетом космологического красного смещения для всего скопления). Цвикки указал, что во многих скоплениях галактики движутся быстрее, чем допустимо для поддержания единства скопления с помощью гравитации. Такие скопления давно, еще в начале существования Вселенной, должны были разлететься на отдельные галактики; видимо, их держит вместе большое количество также невидимой темной материи, содержащейся в скоплении. И вновь никто (кроме самого Цвикки) не задумывался над этим открытием до самых 1960-х годов. Даже в то время, когда я был студентом, ученого все еще считали несколько одержимым темной материей, хотя его работы по другим темам были весьма авторитетны. Это объясняется тем, что вплоть до 1960-х годов модель Большого взрыва не была общепризнанной. Кроме того, считалось, что причиной обнаруженных Цвикки явлений могут оказаться невидимые, но привычные объекты, например тусклые звезды – коричневые карлики, облака газа или многочисленные планеты типа Юпитера. Однако по мере признания теории Большого взрыва и особенно после выяснения Хойлом и коллегами деталей ядерного синтеза в его рамках во второй половине 1960-х ситуация начала меняться.

Количество образованных во время Большого взрыва гелия и дейтерия связано с его температурой (она определена по особенностям реликтового излучения), плотностью барионов в тот момент и скоростью расширения и остывания Вселенной в процессе ядерного синтеза. И наоборот, измерив пропорции этих элементов в звездах в наши дни (что очень непросто!), можно выяснить плотность барионов в Большом взрыве. Эти вычисления были проведены, и ученые обнаружили, что плотность барионной материи намного ниже, чем критическая плотность, необходимая для поддержания плоскостности Вселенной. В тот момент эти данные сочли свидетельством того, что Вселенная открыта и будет расширяться вечно. Многие космологи не были готовы признать, что может существовать другой, небарионный, вид материи и что, возможно, именно он определяет поведение Вселенной. Но уже начиная с 1970-х годов стали появляться доказательства того, что все обстоит именно так. Исследования вращения других спиральных галактик показали, что все они удерживаются темной материей. Компьютерные симуляции формирования галактик в расширяющейся Вселенной демонстрируют, что для создания гравитационных «долин», в которые, подобно горным потокам, могли устремиться барионы, образуя звезды и галактики, необходимо огромное количество темной материи. Без такого вещества, получившего название холодной темной материи[190], барионы оказались бы разбросаны по расширяющейся Вселенной, и никогда не соединились бы, и не могли бы образовать ни звезды, ни нас самих. Появлялось все больше данных (не считая теории инфляции), что Вселенная все-таки плоская. К середине 1980-х стало ясно, что темная материя определяет ее поведение и что мы никогда не видели по меньшей мере 90 % всего, что нас окружает, и минимум 90 % всего мироздания состоит вовсе не из того, из чего мы сами.

Оказалось, что даже холодной темной материи (ХТМ) недостаточно, чтобы объяснить внешний вид Вселенной. Я не стану вдаваться в подробности: достаточно будет одной детали, чтобы понять причины открытия, привлекшей внимание к проблеме не только космологов, но и самой широкой аудитории. Эта деталь – барионная катастрофа[191].

Барионной катастрофой называется одна из загадок физики. Исследования горячего газа в скоплениях галактик показывают, что отношение барионной к темной материи во Вселенной слишком велико, чтобы допустить существование точно такого количества всех видов материи, которое в своей совокупности соответствует модели простейших версий инфляции и плоской модели пространственно-временного континуума.

Точно установлено, что большая часть материи во Вселенной находится в некой невидимой для нас форме. Теоретики с радостью углубились в сложные математические модели и сыплют названиями вроде холодной, горячей, смешанной темной материи, а также слабовзаимодействующих массивных частиц, однако практические наблюдения постепенно обнаруживают весьма неудобную правду. Во Вселенной, безусловно, присутствует темная материя, но, возможно, ее меньше, чем предполагают некоторые популярные модели. Не исключено, что Вселенная состоит не только из материи, как бы необычно это ни выглядело.

Классическая модель Большого взрыва (включая идею инфляции, предполагающую фазу стремительного расширения за первую долю секунды существования Вселенной) предполагает, что Вселенная содержит количество материи, близкое к критическому, необходимому для плоскостности пространственно-временного континуума и предотвращения ее вечного расширения. Однако теория образования легких элементов в начале существования Вселенной (первичного ядерного синтеза) ограничивает плотность обычных барионных частиц (протонов, нейтронов и других) до примерно одной двадцатой этой критической массы. Остальное – подавляющее большинство массы Вселенной – состоит (в классической модели) из какого-то вида небарионного вещества – экзотических частиц с названиями вроде аксионов. Эти частицы никогда не фиксировались непосредственно, хотя их существование предсказывается классическими теориями физики частиц. В наиболее вероятной модели Вселенной с ХТМ гравитационное влияние темных частиц на барионные формирует космические структуры по мере развития Вселенной.

Доказательства существования темной материи находятся в наблюдениях разного масштаба. В нашей Галактике Млечный Путь невидимой материи как минимум столько же, сколько содержится в видимых звездах. Наблюдения за гравитационным искривлением лучей звезд в Магеллановых облаках заставляют предположить, что этот конкретный компонент темной материи может оказаться барионным: либо крупные планеты, либо тусклые звезды с низкой массой (коричневые карлики). Есть также доказательства наличия вокруг галактик обширных гало из темной материи, основанных на скорости, с которой звезды и газовые облака облетают внешние части их дисков, но и здесь это может доказать барионное вещество. В каждом конкретном случае предполагать наличие ХТМ нет необходимости.

Тем не менее нет и оснований считать, что содержимое галактик аналогично содержимому всей Вселенной. При первом коллапсе протогалактики она должна была содержать универсальное сочетание барионной (в виде горячего ионизированного газа) и темной материи. Эта материя холодна в том смысле, что отдельные ее частицы движутся медленно по сравнению со скоростью света, однако, как и барионное вещество, они обладают достаточной энергией, чтобы создать давление, заставляющее их распределяться по значительному пространству космоса. Барионы теряют энергию из-за электромагнитного излучения и очень быстро остывают; теряя термальную поддержку, барионный компонент облака попадает в центр протогалактического гало и формирует современную галактику. Это заставляет неспособную остыть (не испускающую электромагнитные лучи) темную материю распространяться на значительно большее пространство.

Таким образом, чтобы найти наиболее типичную смесь материи, нам нужно обратить внимание на крупные и не так давно сформировавшиеся структуры, в которых еще не произошло значительное остывание. Это скопления галактик. Классическое крупное скопление может содержать около тысячи галактик. Они компенсируют силу притяжения скоростью движения, которая может достигать более чем тысячи километров в секунду и измеряется с помощью доплеровского эффекта, образуемого движением и смещающим характеристики спектра к красному или синему краю. (Оно не зависит от красного смещения, вызванного расширением Вселенной, которое при расчетах следует вычитать.) Сбалансировав кинетическую энергию галактики и потенциальную энергию ее гравитации, можно вычислить ее общую массу. Фриц Цвикки, впервые сделавший это в 1930-х годах, пришел к удивительному для тех лет выводу, что галактики составляют лишь небольшую часть общей массы Вселенной. Это было столь необъяснимо, что на протяжении ряда десятилетий астрономы просто игнорировали открытие Цвикки.

Не располагая экспериментальным опытом в физике частиц или доступными сегодня космологическими моделями, не принявшие всерьез наблюдения Цвикки астрономы могли бы счесть логичным, что эта недостающая материя есть не что иное, как горячий газ. Однако этот вывод сделан не был, вероятно, потому, что в то время еще не существовало способов обнаружить такой газ в условиях космоса. Частицы газа движутся со скоростями, сопоставимыми со скоростью галактик, то есть температура такого газа составляет около 100 млн градусов. При таких условиях от атомного ядра должны улететь все электроны, кроме наиболее тесно связанных с ним, и сформироваться положительно заряженные ионы. Такой ионизированный газ испускает преимущественно рентгеновские лучи, вбираемые атмосферой Земли. Только после запуска спутниковых обсерваторий для изучения рентгеновского излучения космоса в 1970-х годах удалось обнаружить, что скопления галактик представляют собой очень активные источники таких лучей, и понять, что горячий газ, или межгалактическую среду, невозможно игнорировать.

Межгалактическая среда оказалась очень важным компонентом скоплений галактик. Она содержит больше материи, чем сами галактики, а отслеживать гравитационное поле и, следовательно, общую массу скопления на основе ее температуры и пространственного распределения можно намного точнее, чем на основе данных одних галактик. Чтобы получить общую массу газа, нужно взглянуть на уровень излучения. Источник этого излучения – столкновения противоположно заряженных частиц (ионов и электронов), поэтому его уровень пропорционален квадрату плотности газа. Мы наблюдаем только спроецированное излучение, как если бы скопление галактик было раздавлено о небосклон, однако исходя из сферической симметрии относительно несложно «вывернуть» наблюдения и выяснить изменение плотности по мере удаления от центра скопления. Газ распространяется на расстояния, значительно превышающие размеры галактик, и порой отслеживается на расстояниях в несколько миллионов световых лет от центра скопления. Хотя в центре скопления доминируют галактики, газа в нем минимум в три раза больше (мы можем сомневаться в массе галактик, но не в массе газа). Однако даже массы газа и галактик не дают в совокупности общей массы скопления, иными словами, в нем содержится множество темной материи. Ее давление удерживает горячий газ от гравитационного коллапса в скоплении. Чтобы понять, по какому принципу падает давление при удалении от его центра, нам надо знать изменение температуры. Обычно считается, что газ изотермичен (то есть имеет одинаковую температуру по всему скоплению). Это соответствует как наблюдениям, так и числовым симуляциям, которые демонстрируют незначительные изменения как температуры газа, так и скоростей галактик независимо от положения внутри скопления. Бывает, что во внешних частях скопления температура газа все-таки падает, и это снижает оценку его массы.

Опубликованное в 1995 году исследование Дэвида Уайта и Энди Фабиана[192] из Института астрономии Кембриджского университета содержит анализ данных космической обсерватории «Эйнштейн» для девятнадцати ярких скоплений галактик. Ученые сравнили массу газа с общей массой скопления и сделали вывод, что газ оставляет от 10 до 22 % всей массы таких объектов, в среднем примерно 15 %. Прибавляя массу галактик, получим дополнительно 1–5 % (от общей массы). Таким образом, общий барионный состав скоплений намного больше, чем 5 %, предсказанные классической моделью ХТМ для плоской Вселенной. Темная материя все равно нужна (к облегчению ученых, занимающихся физикой частиц), но ее всего в пять, а не в двадцать раз больше, чем барионной. Поскольку модели Большого взрыва предполагают, что барионное вещество может составлять лишь 5 % критической плотности, то при условии, что распределение вещества в скоплениях галактик характерно для Вселенной в целом, общая плотность составляет всего лишь примерно 30 % от критической плотности, даже с учетом темной материи. Другими словами, ХТМ впятеро больше, чем барионов. Чтобы удержать общий показатель плотности на высоком уровне, придется допустить, что барионы составляют значительно больший процент во Вселенной, но это запрещено принципами первичного ядерного синтеза.

Как разрешить эту проблему? Во времена написания книги Companion to the Cosmos между астрономами все еще велись оживленные дебаты о точном значении постоянной Хаббла. В приведенном выше подсчете я предположил, что она равна 50 км в секунду на Мпк, то есть находится ближе к нижнему концу диапазона, что соответствует большой и старой Вселенной.

В космологических моделях по мере понижения значения постоянной Хаббла барионный компонент повышается. Но предполагаемая доля барионов, образуемых в результате первичного ядерного синтеза, увеличивается еще больше, таким образом, несоответствие между ними сокращается. Если снизить постоянную Хаббла достаточно сильно, можно добиться приведения этих параметров к балансу, но задолго до этого момента показатель барионности дойдет до единицы. Поскольку подняться выше 100 % от массы Вселенной барионная материя не может, этот аргумент можно не рассматривать и установить, что показатель постоянной Хаббла не может быть ниже примерно четырнадцати в обычных единицах. Но даже в 1996 году никто из известных мне ученых не решился бы на такую крайность.

Итак, необходимо было отказаться от какой-то из привычных характеристик модели, считавшейся тогда классической. Вероятно, наименее важной из них было то, что темная материя должна быть холодной. Горячая темная материя, состоящая из частиц (например, нейтрино), возникших в результате Большого взрыва и имеющих скорости, близкие к световой, не способна кластеризоваться: частицы не успевают устанавливать связи. На первый взгляд кажется, что огромные объемы такой материи могут заполнять пространство между скоплениями галактик и превосходить их в массе. Однако горячая темная материя не может составлять более одной трети всей темной материи, поскольку ее взаимодействие с барионным веществом замедляет и отодвигает во времени возникновение таких структур, как галактики и скопления, что противоречит наблюдаемому количеству удаленных (старых) радиогалактик и квазаров[193].

Ученые также пытались развивать идею неклассического ядерного синтеза, например, допускали различную концентрацию барионной материи в разных точках космоса. Это позволило бы несколько повысить верхний предел процента барионов во Вселенной, но такие модели несовершенны и не настолько работоспособны, как классическая.

Итак, к середине 1990-х осталось два простых и вероятных объяснения ситуации. Первое – массовая плотность Вселенной действительно намного меньше критической. Если верить наблюдениям, Вселенная может содержать 5 % барионного вещества (по массовой плотности) и примерно 30 % от критической плотности в виде всех форм материи вместе (то есть темной материи примерно в пять раз больше, чем барионной). Сами барионы представлены преимущественно горячим газом в скоплениях галактик (треть от всего объема) и непосредственно галактиками (две трети). Оставшееся содержимое Вселенной может оказаться преимущественно холодной темной материей – возможно, с небольшими вкраплениями горячей. В этом случае постоянная Хаббла может составлять больше 50, что соответствует данным Ключевого проекта HST и измерениям СОВЕ. Однако это означает, что Вселенная не плоская, и противоречит идее инфляции.

Второе объяснение исследователям было известно давно, но не слишком нравилось. Как я писал в 1996 году, «если космологи желают сохранить идею пространственно плоской Вселенной, предсказанной теориями космической инфляции, им придется вернуться к использованию космологической постоянной». Не успел я дописать книгу, как появились реальные доказательства существования космологической постоянной, поразившие ученых (ничего не знавших о моих предсказаниях).

Сверхновые и сверхрасширение

Две группы исследователей, сделавших новое открытие, изучали далекие области Вселенной, а именно сверхновые звезды с очень значительным красным смещением. Предыдущие наблюдения галактик, достаточно близких к нам для оценки расстояний другими методами, позволили откалибровать яркость класса сверхновых, известных как Sn1a (сверхновая типа 1а), имеющих примерно одинаковую истинную яркость. Предполагается, что причина этого – их формирование из белых карликов, которые постепенно набирают массу (видимо, от компаньона по двойной звезде), становясь все тяжелее, до достижения каждой из них одной и той же критической массы (независимо от изначального масштаба звезды). В этой точке давление внутри светила запускает неконтролируемую ядерную реакцию, выделяющаяся энергия срывает внешние слои звезды и на небольшой промежуток времени заставляет ее сиять примерно как четыре миллиарда Солнц. Для космолога сам механизм взрыва сверхновой не так важен, как то, что все сверхновые типа 1а обладают одинаковой яркостью[194], то есть могут быть использованы как стандартные свечи. Видимая яркость сверхновой типа 1а указывает на расстояние до нее и, соответственно, может быть изучена в контексте красного смещения.

Во второй половине 1990-х годов два больших коллектива исследователей (объединявших по несколько десятков ученых, работавших в разных точках мира) стремились с помощью имеющихся технологий (лучших наземных и спутниковых телескопов, современных датчиков CCD[195], мощных компьютеров) как можно лучше картировать распределение в пространстве самых тусклых и удаленных из видимых сверхновых и, следовательно, распределение галактик, в которых они находятся. Поскольку красное смещение обозначается буквой z, один из коллективов назвал себя High-z Supernova Search Team («Команда поиска сверхновых с высоким z»), во главе стояли Брайан Шмидт (Австралийский национальный университет) и Адам Рисс (Университет Джона Хопкинса). Им противостояла группа Supernova Cosmology Project («Проект космологии сверхновых») под руководством Сола Перлмуттера (Калифорнийский университет, Беркли). Полученные выводы были столь масштабны, что факт параллельного проведения исследований двумя коллективами пошел на пользу: совпадение результатов заставило научный мир поверить в них.

Сверхновые звезды типа 1а редки. В типичной галактике вроде Млечного Пути за тысячу лет взрываются две-три такие звезды. Но, сфотографировав десятки участков неба, в каждом из которых содержатся сотни тусклых галактик, оба коллектива гарантированно могли застать несколько таких случаев. Если принять, что в одной галактике за тысячу лет появляются две сверхновых, то, изучив 50 тысяч галактик, можно с уверенностью ожидать увидеть примерно 100 взрывов в год. Это позволит изучить Вселенную на очень значительных дистанциях, что из-за ограниченности скорости света предполагает ее изучение в отдаленной исторической перспективе. Ученые рассчитывали, что среди прочих полученные данные можно будет использовать для измерения степени замедления расширения Вселенной по мере влияния гравитации на ускорение, приданное ей Большим взрывом.

Результаты обоих исследований начали публиковаться в 1998 году: среди них были данные по сверхновым, вспыхнувшим в период, когда Вселенной было примерно вдвое меньше лет, чем сейчас. К удивлению обоих научных коллективов, у них получилось, что галактики, в которых расположены далекие сверхновые, удаляются от нас с меньшей скоростью, чем предполагаемая их красным смещением (если исходить из того, что постоянная Хаббла всегда имела значение, определенное на основе данных более близких к нам галактик). Иными словами, в прошлом Вселенная расширялась не быстрее, чем сейчас, а медленнее – этого никто не ожидал[196]. Если она расширялась медленнее, то достичь современного состояния она должна была за более долгий, чем ранее предполагалось, промежуток времени. Другими словами, данные сверхновых говорят, что возраст Вселенной значительно больше 9 млрд лет. Насколько больше, об этом должно было сказать новое поколение спутниковых телескопов.

Если в прошлом Вселенная расширялась медленнее, значит, сейчас она расширяется быстрее. «Расширение Вселенной ускоряется» – именно так выглядели заголовки массмедиа после публикации выводов исследования. Что-то толкает Вселенную изнутри с силой, которая (почти наверняка) достаточна, чтобы превозмочь гравитацию и заставить ее расширяться вечно и все быстрее. Это что-то получило название темной энергии.

Самое простое объяснение этого понятия сводится к тому, что темная энергия есть воплощение космологической постоянной, лямбды (Λ)[197]. Если она действительно постоянна и имела одно и то же (небольшое) значение с момента Большого взрыва, то в каждом кубическом сантиметре пространства всегда должно было содержаться одно и то же количество темной энергии. «Новая» темная энергия создается по мере расширения Вселенной, чтобы заполнить возникающее дополнительное пространство. Кажется, мы это уже где-то слышали?.. С математической точки зрения это та же идея, от которой отказался Эйнштейн и которую развивал Фред Хойл в виде космологии полей творения (C-field), только С в уравнениях надо будет заменить на Λ и принять, что плотность материи по мере расширения Вселенной сокращается, а плотность темной энергии остается стабильной[198]. Темная энергия придает космосу некую упругость, толкая его наружу, а гравитация стягивает его обратно. Поначалу, сразу после Большого взрыва, сила притяжения имеет преимущество, потому что темной энергии еще не так много. Это замедляет расширение Вселенной. Но плотность темной энергии сохраняется независимо от сокращения плотности материи, и это ослабляет действие гравитации. В какой-то важный момент, миллиарды лет назад, темная энергия пересилила, и с этого времени расширение Вселенной ускорилось.

Но это еще не все. Эйнштейн учил, что материя и энергия – одно и то же. Имеющаяся во Вселенной темная энергия с точки зрения гравитации выступает подобно материи, несмотря на пружинистость, сообщаемую ею космосу. Грубо говоря, количество темной энергии, необходимое для объяснения наблюдаемой ситуации, в гравитационном плане должно быть примерно вдвое больше, чем количество материи (барионной и темной вместе) во Вселенной. Если Вселенная все-таки плоская и примерно одну треть из ее содержимого составляет материя, а две трети – темная энергия, связанная с космологической постоянной, то все сходится и никакой барионной катастрофы не существует. В 2011 году руководители обоих научных коллективов получили за свою работу Нобелевскую премию. В официальной аннотации к премии говорится: «Открытие стало полной неожиданностью даже для самих лауреатов». Однако оно не стало полной неожиданностью для космологов, которые уже поняли, что космологическая постоянная все-таки пригодится науке.

Это открытие стало той недостающей деталью головоломки, которая позволила сложить принятую ныне классическую космологическую модель, получившую название ΛCDM (лямбда-си-ди-эм, от космологической постоянной и холодной темной материи – cold dark matter), поскольку в нее входят оба понятия. История космологических изысканий первых пятнадцати лет XXI столетия стала историей довольно успешных попыток уточнить параметры этой классической модели, в том числе возраст Вселенной. Этим мы во многом обязаны экспериментам, проведенным на борту двух спутников, известных как WMAP и «Планк»[199].

«Прослушка» Вселенной

Мысль о том, что всего примерно 5 % Вселенной состоит из знакомой нам барионной материи, еще около 25 % приходятся на долю холодной темной материи, которая не похожа ни на что известное нам, а все остальное имеет форму темной энергии, не укладывается в головах даже у тех, кто вроде меня думал о космосе с детства. Иногда меня спрашивают, почему раньше никто ничего подобного не замечал? В таких случаях лучшее, что я могу сделать, – это записать на доске, насколько мало темной энергии содержится в каждом кубическом сантиметре пространства.

Материя не распределена по Вселенной равномерно, а образует сгустки, из которых формируются галактики, звезды и люди. Но поле Ʌ однородно и эквивалентно 10⁻²⁷ грамма на кубический сантиметр, причем это не сантиметр пустого пространства, а любой кубический сантиметр во Вселенной. Существующие в настоящий момент технологии не позволяют уловить столь микроскопический уровень энергии. В объеме всей нашей планеты содержится количество темной энергии, примерно равное количеству электроэнергии, которое расходовал средний гражданин США за год в начале XXI века. В сфере, имеющей размер Солнечной системы вплоть до орбиты Урана, столько темной энергии, сколько электромагнитной энергии (тепла и света) излучает Солнце за пару часов. Чтобы прочувствовать влияние космологической постоянной, нужно мыслить в масштабах всей Вселенной, и здесь нам на помощь приходят спутники.

Наблюдения за реликтовым излучением могут указать нам на момент, когда Вселенная стала прозрачной и электромагнитные лучи начали свободно проникать через космос. Это произошло чуть менее чем через 400 тысяч лет после той доли секунды, в которую произошла инфляция. До этого момента Вселенная была столь горячей, что нейтральные атомы не могли существовать и кругом было море заряженных частиц – электронов и ядер (преимущественно водорода и гелия), взаимодействовавших с электромагнитным излучением. Помимо всего прочего, такие взаимодействия зафиксировали открытые СОВЕ квантовые флуктуации; эти первичные случаи анизотропии сохранились во время инфляции, в первую долю секунды жизни Вселенной. Когда она остыла примерно до нынешней температуры Солнца (около 6000 К), смогли образоваться незаряженные атомы и излучение начало распространяться беспрепятственно. По той же причине внешней частью Солнца при этой температуре испускается электромагнитное излучение, образующее его видимую поверхность. В случае с Вселенной место, где это происходит, получило название «поверхности последнего рассеяния»[200]. Неоднородности в излучении были, однако, результатом не только анизотропии, сохранившейся в результате инфляции. Излучение не оставалось без влияний в период между инфляцией и последним рассеянием. То, как в первые несколько сотен тысяч лет существования Вселенной по ней распределялась материя, оставило после себя небольшой след в виде вторичных флуктуаций реликтового излучения. Этот след невелик и не составляет даже одной стотысячной от первичных флуктуаций, но вдохновленные успехом СОВЕ ученые решили попытаться измерить его, чтобы лучше понять происхождение и эволюцию Вселенной.

Истинная природа этих случаев анизотропии – флуктуаций – определяется соотношением двух противоречащих друг другу явлений расширяющейся Вселенной. Концентрированные множества барионов (по сути, находящиеся внутри объемов темной материи, которая, впрочем, не взаимодействует с электромагнитным излучением) образуют гравитационное сжатие и усугубляют проявления анизотропии. Но пока материя достаточно горяча, чтобы взаимодействовать с электромагнитным излучением, быстро движущиеся фотоны (частицы электромагнитного излучения) имеют тенденцию к разглаживанию неоднородностей в распределении барионов. Противостояние этих двух явлений приводит к таким эффектам, как барионные акустические осцилляции (БАО). Это своеобразные волны давления (звука) в веществе юной Вселенной. Из-за взаимного влияния материи и излучения одни длины волн усиливаются, а другие затухают. Получающаяся комбинация длин волны несет в себе множество данных о Вселенной, если человек в состоянии ее интерпретировать.

Для интерпретации нужно найти способ выяснить, какие длины волн присутствуют в реликтовом излучении и насколько они интенсивны. К счастью, у астрономов как раз есть подходящий для этого инструмент. Техника, позволяющая распутать различные регулярные вариации, соединенные в сложный узор, называется анализом энергетического спектра. Она работает почти безупречно, если такой сложный узор действительно состоит из комбинации простых. Так, если на гитаре взять аккорд, каждая из шести струн будет звучать своей нотой, что создаст кажущееся сложным сочетание волн давления, которое мы воспринимаем как особый звук. Этот звук можно записать с помощью микрофона, перевести в электрические сигналы и вывести, например, на экран компьютера в виде запутанного нагромождения осциллограмм. Анализ энергетического спектра способен разобрать эту путаницу на отдельные ноты, взятые на каждой струне. Он также определит, насколько громкой была каждая нота (насколько интенсивен каждый компонент спектра). Если датчик реликтового излучения достаточно чувствителен, то «аккорды», формируемые этим микроволновым излучением, можно проанализировать аналогичным образом и определить, какие «ноты» играли в момент фиксации узора БАО на поверхности последнего рассеяния, когда материя «развязывалась» с электромагнитным излучением.

Из осцилляций можно извлечь много интересного. Если провести другую аналогию и уподобить флуктуации нотам, производимым трубами церковного органа, то можно сказать, что физик может по ним узнать многое о строении органа (например, длину труб), не видя самого инструмента. Энергетический спектр реликтового излучения обычно выглядит как график, на котором отложено количество энергии в разном масштабе (для осцилляций разной интенсивности): более крупные левее, мелкие правее. Пиковые значения графика соответствуют точкам с мощными осцилляциями, «провалы» – со слабыми. На графике бывает один крупный пик и, правее, постепенно сходящий на нет ряд мелких. Первый пик не удавалось уловить даже СОВЕ, хотя в последующие годы он с достаточной точностью отмечался приборами, поднимаемыми на воздушных шарах, и некоторыми наземными наблюдениями. К 2000 году положение главного пика отслеживалось уже очень хорошо, и из него можно было сделать вывод о кривизне Вселенной и получить важнейшее доказательство того, что Вселенная плоская, а также засвидетельствовать ее плотность и существование темной материи и темной энергии. Теоретики знали, что соотношение высоты первого и второго пиков может сказать нам о том, какой процент материи на самом деле барионный (независимо от доводов вроде тех, что базируются на «барионной катастрофе»), а в третьем содержится информация о плотности темной материи. Но у СОВЕ не было нужной чувствительности, чтобы узнать об этих пиках больше, и даже аппаратура на воздушных шарах давала только грубые ориентиры (эксперименты с ней задействуют не все небо; к тому же шары не могут работать так долго, как спутники). Все, что можно было сделать, – это объединить самые точные измерения мелких случаев анизотропии, которые удастся сделать с Земли и шаров (на отдельных участках неба), с точными измерениями крупных проявлений анизотропии во время исследований всего неба. И тут появилось новое поколение спутников.

Истинная правда

Первым из таких спутников стал WMAP (дабл-ю-мэп – от первой буквы фамилии Wilkinson и английского слова «карта»), запущенный 30 июня 2001 года. Изначально MAP расшифровывалось как Microwave Anisotropy Probe (зонд микроволновой анизотропии), но в 2003-м к сокращению добавили W в честь умершего незадолго до этого Дэвида Уилкинсона, одного из руководителей проекта. Миссия была запланирована в 1995 году, одобрена в 1997-м и готова к 2001-му – скорость развития событий доказывает ее важность и то, насколько успех СОВЕ активизировал эту область исследований. Датчики WMAP были в 45 раз чувствительнее датчиков СОВЕ: они могли «разглядеть» объекты с угловым размером в 35 раз меньше, чем их предшественники, то есть всего в одну пятую градуса, примерно треть видимого размера полной Луны[201]. WMAP к тому же мог проводить наблюдения на пяти длинах волн. Изначально планировалось использовать его два года, но он показал себя так хорошо, что исследования были продлены еще и еще раз и в итоге спутник проработал девять лет. После завершения работ в 2010 году он был перемещен на орбиту захоронения, где находится и поныне, не мешая работе следующих поколений спутников и совершая оборот вокруг Солнца 14 раз за 15 лет.

Уже с самого начала наблюдений WMAP превзошел все ожидания. Данные со спутника четко указывали на возраст Вселенной в 13,4 ± 0,3 млрд лет при значении постоянной Хаббла в 72 ± 5, с менее чем 5 % от массы Вселенной в виде барионов и общей массе материи примерно в 28 % от необходимой для плоскости Вселенной (то есть на долю темной энергии приходятся 72 %). Узор флуктуаций в целом совпал с прогнозом по инфляции[202].

Когда данные WMAP были сопоставлены с измерениями из других источников, в том числе с воздушных шаров, космологические параметры удалось еще больше уточнить, и по мере накопления объема наблюдений WMAP результаты продолжали сужать допуски. Одно из важнейших дополнительных измерений было сделано при изучении галактик, которое показало влияние БАО на распределение по небу миллионов звездных миров. По итогам девяти лет работы с WMAP его данные без учета других наблюдений указывали на возраст Вселенной, равный 13,74 ± 0,11 млрд лет, значение Н, равное 70,00 ± 2,2, барионную плотность 4,6 %, плотность ХТМ 24 % и массовую долю темной энергии 71 %. Эта оценка Н полностью независима от традиционной, основанной на методе цефеид. Совпадение (в пределах погрешности) этих результатов стало поразительным подтверждением того, что вся модель ɅCDM достоверно описывает Вселенную. Чтобы доказать это, добавлю, что кривизна пространства была уточнена в пределах 0,4 % от полной плоскостности. Учет данных от других видов наблюдений корректирует эти величины очень незначительно: возраст Вселенной повышается до 13,772 ± 0,059 млрд лет. …Но когда срок работы WMAP истек, на орбиту был выведен новый спутник – «Планк», запущенный Европейским космическим агентством. Он продолжил сужать рамки погрешностей.

Спутник «Планк», названный в честь первооткрывателя природы излучения черного тела, был одним из двух чрезвычайно успешных спутников, выведенных на орбиту одной ракетой «Ариан-5» 14 мая 2009 года. Первое предложение по созданию этого спутника поступило в ESA в 1993 году (за два года до подачи идеи WMAP в НАСА), таким образом, на всю подготовку проекта ушло шестнадцать лет. Столь тщательный подход вылился в создание очень чувствительного спутника с самой передовой аппаратурой. Его датчики «видели» в три с лишним раза лучше датчиков WMAP, то есть могли фиксировать отклонение температуры реликтового излучения на одну миллионную градуса, обрабатывали более широкий спектр длин волн и могли обнаруживать горячие и холодные точки размером всего в 1/12 градуса – в два раза лучше WMAP. Результативность спутника «Планк» стала новым стандартом космологии, пока на орбите не появились еще более чувствительные приборы. Второй спутник, «Гершель», занимался исследованием Вселенной в инфракрасных лучах. Некоторые из моих коллег по Сассекскому университету входили в его команду, и я вместе с ними наблюдал за запуском «Ариан-5» онлайн на большом экране в университете (я тактично не сообщил коллегам, что спутник «Планк» мне более интересен). После ряда маневров «Планк» достиг рабочей орбиты 3 июля 2009 года и продолжал наблюдения до октября 2013 года, когда у него закончился запас охлаждающего жидкого гелия и топлива, его перевели на «кладбище» спутников и отключили.

Первые подробные результаты исследований «Планка» всего неба были опубликованы в марте 2013 года: они слегка уточняли результаты WMAP. Именно тогда везде стали писать, что возраст Вселенной равен 13,82 млрд лет, и именно тогда я задумался над написанием этой книги. Если быть точным, в то время данные спутника «Планка» предполагали возраст в 13,819 млрд лет. При добавлении данных о влиянии БАО на галактики и других выходило, что самое вероятное значение – 13,798 ± 0,037 млрд лет. Еще более подробный анализ данных «Планка», завершенный в конце 2014 года и обнародованный в феврале 2015-го, показал, что значение постоянной Хаббла составляет 67,8, а нашей Вселенной 13,799 млрд лет. При добавлении данных от сверхновых типа 1а и БАО значение постоянной Хаббла снижается до 67,74, но возраст Вселенной остается на уровне 13,799 с погрешностью до +0,021 млрд лет. Округляя до десятых для ясности, можно утверждать, что с максимальной вероятностью нашей Вселенной 13,8 млрд лет. Возможно, это число еще изменится, и нам стоит сделать паузу, чтобы уместить в голове тот факт, что на конец 2015 года космологические дискуссии вращаются вокруг уже второго порядка после запятой, а не вокруг принципиальных расхождений в теории. Данные «Планка» и WMAP отлично согласуются друг с другом, просто первые чуть точнее вторых. Важно отметить, что это согласование намного важнее наличия расхождений. Даже если сравнить их основные показатели без учета погрешностей, оба комплекта наблюдений выдают значения, различающиеся всего примерно на 100 млн лет – из 14 миллиардов! «Ошибка» составляет менее 1 %.

Впрочем, не все данные так идеально стыкуются друг с другом. В 2013 году при сопоставлении данных «Планка» и других источников количество темной энергии во Вселенной вышло равным 69,2 ± 0,01 % (уточнено в декабре 2014 года до 68,3 %), а плотность материи в целом оценивалась в 31,5 ± 1,7 % (уточнено до 31,7 %, а барионное вещество составляет всего 4,9 %, менее одной шестой), причем соответствующее значение Н оказалось эквивалентным 67,8 ± 0,77 (в декабре 2014 года, до уточнения, 67,15). Это означает, что Вселенная расширяется несколько медленнее, чем мы полагали. Хотя новые данные пересекаются с нижним пределом погрешности показателей WMAP, а полученные им результаты согласуются с традиционным методом в другом пределе погрешности, данные «Планка» и традиционных методик не пересекаются вообще (по состоянию на 2014 год уточненное значение Н на основе метода цефеид и сверхновых составляло 73,8 ± 2,4). Это может означать, что модель ΛCDM все-таки не идеально описывает Вселенную. Хотя Франсуа Буше, ведущий специалист в научном коллективе спутника «Планк», подчеркивает, что «мы не располагаем надежными доказательствами ничего, выходящего за рамки классической модели ΛCDM», детали такого рода могут однажды заставить нас обратиться к более сложным построениям, упомянутым ранее в примечании 198. Они способны оказаться сигналом какого-то отклонения от простейшей модели, которого мы пока не понимаем. Одним из вариантов объяснения – чисто умозрительным, но вполне возможным – может быть так называемый пузырь Хаббла. Возможно, мы живем в такой части Вселенной, плотность которой несколько ниже средней. По сравнению со всей Вселенной даже оценка по сверхновым относится лишь к небольшому участку космоса (это одна из причин, по которой измерения реликтового излучения дают более надежные показатели возраста Вселенной), и если этот участок несколько менее плотен, чем другие, то возможно, что материя вне его пределов притягивает к себе видимые нами галактики, что выглядит похоже на действие несколько большей, чем в действительности, постоянной Хаббла[203]. Обратите внимание, что это лишь догадка, которая может не оправдаться, а также, что любая коррекция модели ΛCDM, необходимая для объяснения расхождений, наверняка окажется незначительной. Однако сегодня эта загадка будоражит ученых. Если все наблюдения вдруг совпадут с предсказаниями теоретиков, жизнь станет слишком скучной, а наблюдая противоречия, мы можем изыскивать все новые объяснения для их устранения.

Тем не менее тот факт, что возраст самых старых звезд почти равен (на самом деле чуть меньше, что очень важно) возрасту Вселенной, есть одно из величайших научных открытий в истории. Оно позволяет с уверенностью предположить, что общая теория относительности и квантовая механика верны в своей основе и однажды могут слиться воедино. Особенно потрясает то, что, если верить данным спутника «Планк», мы знаем возраст Вселенной с точностью до менее чем одного процента. В этом знании воистину воплощена «истинная правда» науки и надежное доказательство того, что именно наука представляет собой лучший способ понимания мироустройства.