Александр Потупа - Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

Реликтовое излучение было обнаружено экспериментально английскими астрономами Пензиасом и Уилсоном, исследовавшими микроволновой фон (в диапазоне длин волн от сотых долей сантиметра до десятков сантиметров) на своем радиотелескопе в рамках программы спутниковой системы связи «Телестар».

Они наткнулись на мощные шумовые помехи, соответствующие температуре излучения порядка 3 К, и тщательный анализ аппаратуры показал, что шум с ней не связан и должен иметь внеземное происхождение.

Несколько раньше, в 1963 году, американский астроном Мартин Шмидт открыл самые далекие и, возможно, самые экзотические объекты Вселенной квазары [96] Общепринятое сокращение от Quasistellar Radiosource — квазизвездный радиоисточник. . Главная их наблюдательная особенность заключалась в огромном красном смещении, в несколько раз превышающем красные смещения самых удаленных галактик. Отсюда следовало, что квазары убегают с очень большими скоростями (близкими к скорости света) и находятся практически на предельно больших расстояниях, доступных наблюдению (до нескольких миллиардов парсеков). Таким образом, квазары оказались реликтом ранних эпох развития Вселенной и, в известном смысле, стали последним и самым тяжелым камнем преткновения для попыток сохранить более или менее стационарную картину. В течение нескольких лет после открытия выяснилось, что квазары обладают целым набором необычных свойств. Большинство из них весьма компактны и выглядят, как очень активные галактические ядра, занимая объем порядка Солнечной системы. Но при этом они излучают энергию не слабее больших галактик — светимость квазаров достигает 10 38-10 40Вт, что в сотни раз превышает светимость Галактики. Естественно полагать, что излучение такой колоссальной мощности у сравнительно небольших объектов возможно лишь в той фазе, когда обычные галактики еще не сформировались или находились на какой-то ранней стадии формирования. Иными словами, на границе наблюдаемой Вселенной обнаружилось явление, которое свойственно довольно раннему снимку Вселенной, и это нагляднейшее подтверждение ее эволюции.

Крупнейшим достижением последних лет стало обнаружение огромных скрытых масс материи, скрытых в том смысле, что они пока недоступны обычным телескопическим наблюдениям.

Разумеется, идея о том, что во Вселенной могут существовать не только объекты, достаточно яркие для наших телескопов, отнюдь не нова. Фактически со времен открытия Урана и последовавшей затем Нептуновой истории астрономия вышла в своеобразный гравитационный диапазон, отыскивая небесные тела по их чисто гравитационному проявлению. Но вот при попытке оценить плотность массы в масштабе галактических скоплений и Вселенной в целом возник качественно новый уровень. Дело в том, что в соответствующих оценках мы долгое время были ограничены светящимися массами — именно по «плотности светимости» (средней светимости единицы объема пространства) обычно и оценивалась средняя плотность вещества. Однако группа эстонских астрономов под руководством Я. Э. Эйнасто и здесь — в предельно больших масштабах попыталась применить принципы гравитационной астрономии.

Исследователи из Тарту обратили внимание на то, что скорости отдельных галактик в скоплениях очень велики — тысячи километров в секунду, и, чтобы удержать столь быстрые компоненты, скопления должны обладать достаточно сильным полем тяготения, то есть массами порядка 10 14-10 15М). Но это на 1–2 порядка превышает суммарную массу светящихся галактик.

Было также установлено, что спутники больших галактик (типа Магеллановых Облаков — спутников нашей Галактики) движутся со скоростями, практически не зависящими от расстояния до центральной галактики — в очевидном противоречии с третьим законом Кеплера, согласно которому скорость спутника должна убывать с ростом расстояния до центра (v (1/vr). Это означало, что галактики-спутники находятся совсем в иной ситуации, чем, например, планеты в Солнечной системе — вещество галактической системы не сконцентрировано в центральном теле, а распределено по всему объему с плотностью, убывающей к краю ((~ 1/r 2). В такой среде аналог третьего закона Кеплера действительно вел бы к независящим от расстояния скоростям спутников (центростремительное ускорение v 2/r ~ GM/r 2~ G½r3/r 2~ const/r, т. е. v ~ const) или, что то же самое, к пропорциональности радиуса орбиты периоду обращения.

Эти факты и легли в основу представления о гигантских массах, полностью определяющих гравитационные проявления скоплений и отдельных галактик и в то же время слишком слабо светящихся, чтобы обнаружить их как обычное вещество. По-видимому, скрытые массы в среднем раз в 30 превышают массу всего светящегося вещества, то есть играют решающую роль не только в описании отдельных крупных структур, но и в оценке всего космологического процесса в целом.

Природу этих скрытых масс пытались объяснить многими гипотезами прежде всего, обилием темных выгоревших звезд типа черных карликов и черных дыр. Однако теперь, в связи с обнаружением массы нейтрино, более вероятной представляется именно нейтринная модель невидимой материи. Именно массивные реликтовые нейтрино способны конденсироваться в первичные облака — зародыши сверхскоплений, крупнейших структурных единиц Вселенной.

Вероятно, теперь следует считать, что каждая крупная галактика вместе со своими спутниками и скрытым веществом (так называемой короной) образует особую связанную систему — гипергалактику, а гипергалактики формируют скопление средним размером в несколько мегапарсеков, обладающее единой мощной короной.

Галактические скопления, в свою очередь, концентрируются в сверхскопления. И на этом иерархическом уровне, благодаря исследованиям группы Эйнасто и ряда других астрономов, открылось нечто неожиданное. Оказалось, что сверхскопления выглядят как своеобразная ячеистая структура — вроде пчелиных сот, сработанных несколько хаотично, или пористой, «пещеристой» ткани. Отдельные скопления выстраиваются в пересекающиеся цепочки, как бы формируют стенки ячеек толщиной в 3–4 Мпс, и, разумеется, самая высокая плотность достигается в узлах этой структуры. Размеры отдельной ячейки, которую теперь и называют сверхскоплением, порядка 100 Мпс, и внутри — вдали от стенок — она практически пуста. Надо полагать, что состав вещества в таких «внутриячейковых заповедниках» крайне близок к исходной водородно-гелиевой смеси, из которой некогда стали формироваться космические структуры.

На этом уровне иерархия космических структур, по-видимому, завершается — уже в масштабе 300 Мпс Вселенную можно с большой степенью точности считать однородной. И уже 1 Гигапарсек (1000 Мпс) — чисто космологический масштаб, в котором, по современным представлениям, можно пренебречь всеми эффектами структурности материи. Это следует считать экспериментально подтвержденным положением, ибо наличие следующего уровня структурной иерархии (в духе схемы Шарлье) привело бы к заметным изменениям в 3-градусном реликтовом излучении, изменениям, которые не наблюдаются.