99 секретов астрономии - Наталья Сердцева

В 1990-х годах, проводя наблюдение за сверхновыми звездами, яркость которых была давно известна, астрономы обнаружили, что они становятся тусклее, а значит, удаляются. О расширении Вселенной астрономы уже знали, и это принималось во внимание при расчетах, но звезды удалялись от нас быстрее, чем следовало. Вывод мог быть один: Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением. Какая же сила влияет на увеличение скорости расширения, отталкивая галактики друг от друга? По мнению ученых, это может быть неизвестная энергия, обладающая отрицательным давлением. По аналогии с темной материей, эту энергию назвали «темной».

Теория темной энергии продолжила теорию темной материи. Мы уже знаем, что темная материя нужна для того, чтобы своей гравитацией удерживать объекты во Вселенной вместе, на своих орбитах вращения. Но для того чтобы придать нашей Вселенной более или менее плоскую форму (которую она имеет согласно большинству современных теорий), массы темной материи недостаточно. И тут на арену выходит темная энергия. Ее существование объясняет и форму Вселенной, и ее расширение.

О том, что такое темная энергия и какова ее сущность, до сих пор ведутся жаркие споры. Но в одном ученые согласны: темной энергии во Вселенной очень много, она составляет не меньше 70 % общего количества.

На сегодняшний день имеется две основных гипотезы относительно свойств этой энергии. Одни ученые считают ее неизменной величиной, космологической постоянной, равномерно заполняющей пространство Вселенной. Другие думают, что темная энергия — это динамическое поле, плотность и энергетическая составляющая которого может подвергаться изменениям во времени и пространстве.

По легенде, первое озарение, касающееся теории относительности, пришло к Альберту Эйнштейну на улице. Он посмотрел на идущий трамвай и понял: если бы человек, находящийся в трамвае, уронил какой-то предмет, он бы увидел, что тот падает вертикально. Хотя на самом деле, с учетом движения трамвая, предмет падал бы по параболе. Законы природы, отвечающие за падение этого предмета, остались бы неизменными для обоих наблюдателей — того, кто находится в трамвае, и того, кто смотрит снаружи, но восприятие этих законов было бы разным. В этом и заключается принцип относительности.

Из этого принципа Эйнштейн вывел две теории: частную и общую теории относительности. Самый известный эффект, следующий из частной теории относительности, — замедление времени. В системе координат, где объекты движутся со скоростями, близкими к скорости света, время растягивается. Обычно это иллюстрируется так называемым парадоксом близнецов. Если один из двух близнецов улетит в космос на ракете, движущейся со скоростью света, и вернется через десять лет, то окажется, что он на десять лет младше брата. Ведь в его системе часы замедлились и прошло всего несколько часов.

Общая теория относительности математически более сложна, чем частная. На ее разработку Эйнштейну понадобилось 11 лет. Эта теория превращает наш трехмерный мир (который можно измерить в длину, ширину и высоту) в четырехмерный, где четвертым измерением является время. Причем все измерения неразрывно связаны: нет отдельного пространства и отдельного времени, есть пространственно-временной континуум. А гравитация является следствием искривления ткани пространства-времени под воздействием массы.

Открытия американского астронома Эдвина Хаббла, сделанные в 20-х годах XX века, перевернули представления астрономов о Вселенной и позволили понять, насколько она огромна и сложна.

До этого считалось, что Вселенная ограничивается нашей галактикой, а туманности, которые не удавалось подробно разглядеть в телескоп, — это облака газа и пыли. Хаббл, рассматривая в телескоп туманность Андромеды, обнаружил, что на окраинах туманности находятся скопления звезд. Вычислив их светимость, астроном рассчитал расстояние до туманности. У него получилось 900 тысяч световых лет (по современным данным 2,3 миллиона). Хотя он ошибся в вычислениях, все равно стало понятно, что туманность Андромеды не может находиться внутри Млечного Пути. Он стал изучать другие туманности и увидел, что они тоже состоят из звезд, а значит, являются галактиками, схожими с нашей. Это полностью изменило представление о Вселенной, ее границы отодвинулись на много миллионов световых лет от нас.

Это было грандиозное открытие, но Хаббл не остановился. Обнаружив, что излучение далеких звезд находится в красном спектре, он предположил, что это проявление эффекта Доплера, то есть звезды в далеких галактиках удаляются от нас. Сделав расчеты, астроном вывел такую закономерность: чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется. Эту закономерность назвали законом Хаббла.

Следствием этого закона стала теория о расширении Вселенной. А раз Вселенная расширяется, значит, когда-то она была гораздо меньше, а еще раньше — зародилась из сверхплотного вещества. Так, благодаря открытиям Хаббла, возникла теория Большого взрыва.

После Большого взрыва Вселенную окутывала горячая плотная смесь, практически туман, из фотонов и заряженных частиц. В юном возрасте 300 тысяч лет Вселенная остыла до такого состояния, что заряженные частицы образовали первые атомы. Но некоторые фотоны так и остались свободными, они и создают тот микроволновой фон, который сегодня регистрируется в космосе и который астрономы называют реликтовым излучением. По сути, это фотография Вселенной в возрасте 300 тысяч лет.

Ученые обнаружили реликтовое излучение в 1960-х годах, и тогда казалось, что оно однородно. Это не вписывалось в теорию Большого взрыва, ведь для того, чтобы образовались сгустки материи, впоследствии ставшие галактиками, нужны участки с более низкой и более высокой температурой. К счастью для теории, современные исследования показали, что температура излучения неравномерна.