Юный техник, 2012 № 01

ПРЕМИИ Почему разбегаются галактики?

Поначалу люди полагали, что мир вокруг них незыблем. Плоская Земля, считалась, покоилась на китах или черепахах, прикрытая сверху хрустальным куполам небосвода, который был прибит для прочности серебряными и золотыми гвоздиками звезд.

Позднее выяснилось, что Земля не плоская, а круглая, как шар. И представляет собой вовсе не центр Вселенной, а всего лишь одну из планет, обегающих год от года Солнце по замкнутым орбитам. Само же наше светило — всего лишь одна из звезд, расположенных на периферии галактики Млечный Путь. Причем галактика эта тоже оказалась вовсе не в центре, а на окраине Вселенной…

Более того, наблюдаемое нами положение звезд, созвездий и галактик вовсе не незыблемо. Все они разбегаются от центра вследствие Большого Взрыва, произошедшего, как считалось, около 20 млрд. лет тому назад. Со временем и расстоянием ударная сила этого взрыва ослабеет, движение небесных тел прекратится. Они остановятся, а затем, движимые силой гравитации, которая, как известно, притягивает небесные тела друг к другу, начнут сближаться, все ускоряя свой бег. И врежутся друг в друга с такой силой, что произойдет новый Большой Взрыв и все начнется сначала…

В итоге у теоретиков получилась законченная картина, которая вроде бы вполне подтверждалась экспериментальными данными. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл по так называемому красному смещению света звезд выявил, что светила и в самом деле движутся от центра.

Что такое красное смещение?.. Чтобы понять это, нам придется вспомнить еще и об эффекте Доплера. В 1842 году австрийский физик Кристиан Доплер, стоя на железнодорожной платформе, обратил внимание, что гудок подъезжающего поезда кажется выше, чем гудок отъезжающего. Это происходит потому, что звуковые волны, исходящие от приближающегося поезда, как бы сжимаются, а отъезжающего — напротив, растягиваются.

Нобелевские лауреаты А. Рисс, С. Перлмуттер, Б. Шмидт.

Замеченный эффект перенесли в оптическую область и поняли, что спектр приближающегося источника света должен давать большую голубизну, а удаляющегося — смещаться в красную сторону.

В итоге по красному смещению Хабблу и удалось определить, что галактики удаляются от нас и друг от друга. И все бы ничего, если бы за прошедшие десятилетия, а именно к 1998 году, ученые вдруг не обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением. Открытие было сделано благодаря космическому телескопу «Хаббл», сделавшему, в частности, снимки сверхновых типа Iа. Изучая удаленные от Земли вспышки сверхновых, ученые обнаружили, что они как минимум на четверть тусклее, чем предсказывает теория. А это означает, что звезды расположены дальше, чем предполагалось. Что возможно лишь в том случае, если небесные объекты движутся с ускорением.

Первым такое предположение высказал Сол Перлмуттер, руководитель проекта «Сверхновые для космологии» (Supernova Cosmology Project, SCP). Он был так удивлен, что попросил своих коллег перепроверить результаты. Данные подтвердили, что космос не просто расширяется, но расширяется с ускорением.

Наблюдения были затем перепроверены еще не раз и теперь наличие ускорения признается твердо установленным фактом. А из этого уже следует, что Вселенная наша моложе, чем предполагалось ранее. Если раньше речь шла о 20 млрд. лет, то теперь теоретики полагают, что ей всего 14–15 млрд. лет, а то и меньше.

Но какова причина этого разбегания? Из закона всемирного тяготения следует, что небесные тела притягиваются друг к другу. И если сила этого притяжения, судя по скорости движения галактик, больше, чем считалось ранее, значит, во Вселенной есть какие-то невидимые массы, которые и обеспечивают дополнительное ускорение за счет притяжения.

Стали искать эти скрытые массы, одновременно подсчитывая, какова должна быть их величина. Выяснили, что у многих галактик-гигантов есть спутники — более мелкие галактики. Есть такие и у нашей Галактики. Их называют Магеллановыми Облаками. В соответствии с законом Кеплера, с увеличением расстояния от центра основной Галактики скорость их «убегания» должна убывать. Но измерение скоростей показало, что этого не происходит, они остаются постоянными.

Расчет показал, что такое может быть, если в центре нашей галактики Млечный Путь, кроме видимых звезд, имеются и другие массы, распределенные вокруг центрального галактического диска. Их так и назвали — скрытыми. И до недавнего времени полагали: раз они не светятся, то обнаружить их невозможно. Но теперь выяснилось, что скрытые массы выдают свое присутствие, образуя так называемые гравитационные линзы.

Вот как объясняет суть этого явления один из ведущих астрофизиков мира, главный научный сотрудник Института космических исследований РАН, директор Института астрофизики Общества им. Макса Планка (Германия) академик Рашид Сюняев. «Представим себе, что за большой по размеру скрытой массой находится далекая галактика, — рассуждает он. — Так вот вид ее под влиянием гравитационного воздействия скрытой массы будет искажаться. В результате земной наблюдатель увидит не одну, а, скажем, две совершенно одинаковые галактики»… То есть, говоря иначе, гравитационная линза сработает, словно призма, и поделит изображение надвое, выдав таким образом свое существование.

Сегодняшние теоретики выяснили, что область, где расположена скрытая масса в виде сферической короны, распространяется от центра нашей Галактики на 650 тысяч световых лет. Чтобы уравновесить движение звезд и галактик-спутников, в этой короне должна быть сосредоточена масса, превосходящая массу всех видимых звезд примерно на порядок, то есть в 10 раз! А состоит эта корона из потухших звезд, черных дыр, остывших белых карликов, межзвездной пыли и прочих малозаметных объектов Вселенной, полагают астрономы.

Приведенные ими расчеты показывают: чтобы получилась видимая нами картина Вселенной, расклад в ней должен быть такой. На все видимые галактики, звезды и планеты и приходится не более 3–5 процентов всего вещества. Еще около 30 процентов приходится на скрытую массу. Остальную же силу, растаскивающую галактики от центра с ускорением, обеспечивает так называемая темная энергия. Что она собой представляет, толком пока не понимает никто. Единственное предположение: эта энергия обладает антигравитацией. А потому и отталкивает галактики друг от друга.

Ну, а что будет дальше? Есть, по крайней мере, два варианта ответа на этот вопрос. Согласно первому, сила темной энергии не беспредельна. И когда галактики выйдут за пределы сферы ее влияния, ускорение их движения постепенно сойдет на нет. И тогда в дело снова вступят силы гравитации, которые и заставят Вселенную снова сжаться, о чем мы уже говорили ранее. Галактики, в конце концов, столкнутся, грядет новый Большой Взрыв и…. получится своего рода вселенский «вечный двигатель»…

Согласно второму варианту, темная энергия будет продолжать свою работу и дальше, вследствие чего Вселенная будет расширяться бесконечно долго, становясь все более холодной и пустой. То есть через десятки миллиардов лет земные астрономы (если таковые еще будут) вдруг заметят, что с ночного небосклона станут исчезать многие созвездия и ночное небо будет все более и более темным…

Какой вариант более вероятен, попытался понять в 2009 году сотрудник Института космических исследований РАН и Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра США доктор физико-математических наук Алексей Вихлинин.

«С помощью мощных оптических и рентгеновских телескопов по всему миру, а также американской космической обсерватории «Чандра» мы с коллегами несколько лет изучали наиболее массивные скопления из тысяч галактик, подобных нашей, — рассказал ученый. — Выяснилось, что в период молодости Вселенной галактики активно прибавляли в массе, а примерно 5 млрд. лет назад начали активно «худеть». С тех пор массы не растут».

Исходя из этих наблюдений, Вихлинин и его коллеги разработали модель происходящих событий. Темную энергию они описали некой величиной, физический смысл которой можно сравнить с жесткостью пружины. «От величины этой «жесткости» зависит будущее Вселенной, — уточнил Вихлинин. — Если она такая, как мы сегодня наблюдаем, то темная энергия не сможет растащить находящиеся по соседству галактики, например наш Млечный Путь и туманность Андромеды. Под действием сил тяготения они когда-нибудь сольются; начало этого процесса наблюдается уже сегодня. Но на больших расстояниях темная энергия возьмет свое, и галактики в конце концов уплывут за горизонт нашего мира.

Что станет с родной Вселенной, если «жесткость» вселенской «пружины» увеличится? «Тогда расширение будет происходить более быстрыми темпами, и дело может кончиться Большим разрывом: вначале галактик, потом Солнечной системы, планет, других небесных тел, — предупреждает ученый. — Какой сценарий окажется более правдоподобным, должны показать предстоящие эксперименты».

Понять ход процесса ученые хотят при помощи российско-германской орбитальной астрофизической обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма», запуск которой запланирован на 2012 год. А уточнить характеристики загадочной силы исследователи надеются в ходе проекта «Экспедиция за темной энергией». Сейчас он находится в стадии разработки; запуск зонда, специально предназначенного для наблюдения за сверхновыми, запланирован на 2014 год. Научный руководитель программы — Сол Перлмуттер.

Возможно, в скором времени обнаружатся и новые эффекты, способные разгонять звезды. Так, причиной ускорения могут оказаться гигантские волны пространства-времени, масштаб которых превышает размер видимой части Вселенной, говорят исследователи.

Ну, а пока суд да дело, темной энергией заинтересовались не только теоретики, но и практики. Ведь если темная энергия создает антигравитацию, то, разобравшись в ее сути, можно устроить подлинную революцию в мире транспорта. Долой нынешние подъемные краны, самолеты и ракеты! Антигравитация сможет поднимать в воздух, выводить в космос целые летающие острова. Да и сами мы сможет летать, куда угодно и как угодно…

И за такое открытие уж точно дадут еще одну Нобелевскую премию.