Космос - Карл Эдвард Саган

Большой Взрыв и разбегание галактик были открыты благодаря хорошо известному явлению, называемому эффектом Доплера. Мы знакомы с ним из физики звука. Мимо нас с гудением проносится автомобиль. Внутри него водитель слышит постоянный звук с фиксированной высотой тона. А мы снаружи улавливаем характерное изменение в тональности гудка. Для нас звук меняется с высокого на низкий. Гоночная машина, покрывающая 200 километров в час, достигает почти одной шестой скорости звука. Звук — это последовательность волн в воздухе: гребень, впадина, гребень, впадина. Чем ближе друг к другу волны, тем больше частота или высота звука; чем дальше они, тем ниже тональность. Если автомобиль удаляется от нас, он растягивает звуковые волны, смещая их с нашей точки зрения в сторону низких частот и порождая всем нам хорошо знакомый характерный звук. Когда автомобиль к нам приближается, звуковые волны сжимаются, частота возрастает, и мы слышим пронзительный высокий сигнал. Зная нормальную частоту сигнала, издаваемого гудком неподвижного автомобиля, мы можем даже с завязанными глазами определить скорость автомобиля по изменению тональности гудка.

Свет — это тоже волна. Только в отличие от звука он прекрасно распространяется в вакууме. Эффект Доплера действует и в отношении света. Если бы по какой-то причине вместо звука автомобиль испускал бы вперед и назад лучи чистого желтого света, то частота излучения немного увеличивалась бы, когда автомобиль приближался, и немного уменьшалась бы при его удалении. При обычных скоростях этот эффект совершенно незаметен. Однако разгонись автомобиль до скорости, составляющей заметную часть скорости света, мы увидели бы, как цвет огней приближающейся машины смещается в сторону высоких частот, то есть к синей части спектра, а удаляющейся — в сторону более низких частот, то есть к красному концу спектра. У объекта, приближающегося с очень высокой скоростью, цвета спектральных линий выглядят смещенными в голубую сторону. Спектральные линии объекта, уносящегося с очень высокой скоростью, испытывают красное смещение[185]. Красное смещение, наблюдаемое в спектрах далеких галактик и интерпретируемое как эффект Доплера, — это ключевой момент космологии.

В начале ХХ века строился крупнейший в мире телескоп, предназначенный для определения красных смещений далеких галактик. Строительство велось на горе Маунт-Вилсон, которая возвышалась над тогда еще чистым небом Лос-Анджелеса. Огромные детали телескопа приходилось затаскивать на вершину горы — делали это упряжки мулов. Молодой погонщик по имени Милтон Хьюмасон помогал доставлять на гору механическое и оптическое оборудование, а также ученых, инженеров и важных чинов. Он управлял колонной мулов, сидя верхом на лошади, а у него за спиной, положив передние лапы ему на плечи, все время стоял белый терьер. Хьюмасон был разнорабочим, из тех, что вечно жевали и сплевывали табак, картежником, завсегдатаем бильярдных и, как говорили в то время, дамским угодником. В школе он отучился всего восемь классов, но был сметлив, любознателен и очень заинтересовался оборудованием, которое с таким трудом переправлял на высоту. Хьюмасон водил компанию с дочерью одного из инженеров обсерватории, которому пришлась не по душе эта дружба с молодым человеком, чьи амбиции не шли дальше работы погонщиком мулов. Хьюмасон стал браться в обсерватории за любую работу: он служил помощником электрика, сторожем, мыл полы под куполом телескопа, в строительстве которого участвовал. Рассказывают, что однажды вечером ассистент, управлявший телескопом, заболел и Хьюмасона спросили, не сможет ли он заменить захворавшего. Милтон продемонстрировал такое мастерство и аккуратность в работе с инструментом, что вскоре стал постоянным оператором телескопа и помощником наблюдателей.

После Первой мировой войны на Маунт-Вилсон приехал Эдвин Хаббл, которому вскоре предстояло прославиться. Человек блестящий, светский, привыкший вращаться не только в кругу астрономов, говорящий с английским акцентом, который он приобрел в Оксфорде, где провел год как стипендиат Родса. Именно Хаббл окончательно доказал, что спиральные туманности в действительности являются «островными вселенными», далекими скоплениями огромного количества звезд, подобными нашему Млечному Пути; он придумал, где найти эталонную звездную свечу, необходимую для измерения расстояния до других галактик. Хаббл и Хьюмасон мастерски справились с задачей — эти двое хоть и казались странной парой, но с телескопом работали слаженно. Вслед за астрономом В. М. Слайфером из Лоуэлловской обсерватории они начали измерять спектры далеких галактик. Скоро стало ясно, что Хьюмасону удается получать высококачественные спектры галактик лучше, чем любому профессиональному астроному в мире. Он стал штатным сотрудником обсерватории Маунт-Вил-сон, изучил научную подоплеку своей работы и заслуженно пользовался уважением астрономического сообщества.

Свет галактики представляет собой совокупное излучение миллиардов составляющих ее звезд. Когда свет покидает звезду, некоторые частоты, то есть цвета, поглощаются атомами в ее внешних слоях. Образующиеся линии позволяют нам утверждать, что звезды в миллионах световых лет от нас состоят из тех же химических элементов, что наше Солнце и соседние звезды. К своему удивлению, Хьюмасон и Хаббл обнаружили, что спектры всех далеких галактик смещены в красную сторону, но что еще удивительнее — смещены тем больше, чем дальше от нас находится галактика.

Наиболее очевидным объяснением красного смещения был эффект Доплера: галактики удаляются от нас; чем дальше находится галактика, тем выше скорость ее удаления. Но почему галактики разбегаются именно от нас? Неужели есть что-то особенное в нашем местоположении во Вселенной, как будто Млечный Путь чем-то провинился перед сообществом галактик? По всей видимости, гораздо более вероятно, что сама Вселенная расширяется, унося с собой галактики. Хьюмасон и Хаббл, как со временем стало ясно, открыли Большой Взрыв — если не происхождение Вселенной, то, по крайней мере, ее последнее воплощение.

Практически все в современной космологии — особенно представление о расширяющейся Вселенной и Большом Взрыве — основано на идее, что красные смещения далеких галактик связаны с эффектом Доплера и вызваны удалением галактик от нас. Но в природе существуют и другие причины красного смещения, например гравитация: красное смещение наблюдается, когда свет, покидающий сильное гравитационное поле, с таким трудом преодолевает действие сил тяготения, что теряет входе движения энергию. Далеким наблюдателем это воcпринимается как смещение ускользнувшего из пут гравитации света в длинноволновую часть спектра, то есть в сторону красного цвета. Поскольку мы считаем, что в центрах некоторых галактик могут скрываться массивные черные дыры, это способно послужить вполне приемлемым объяснением красных смещений. Однако некоторые наблюдаемые спектральные линии нередко указывают на очень разреженный диффузный газ, а вовсе не на предельно высокую плотность, которая должна преобладать в окрестностях черных дыр. А может быть, красное смещение хотя и объясняется доплеровским эффектом, но вызвано не общим расширением Вселенной, а не столь масштабным местным галактическим взрывом. Но тогда нам следовало бы ожидать приближения такого же количества осколков взрыва, какое удаляется от нас, а значит, голубых смещений должно быть столько же, сколько красных. В действительности же, на какой бы объект за пределами Местной Группы мы ни направили телескоп, наблюдаются почти исключительно красные смещения.