Як вчені називають розширення. Теорія всесвіту, що розширюється.

Як і все інше у фізиці, наш Всесвіт прагне існувати в нижчому енергетичному станііз можливих. Але через 10^-36 секунд після Великого Вибуху, як вважають інфляційні космологи, космос перебував у енергії помилкового вакууму - нижчій точці, яка насправді була нижчою. У пошуках істинного надиру енергії вакууму, через частку секунди, Всесвіт роздувся з коефіцієнтом 1050.

З тих пір Всесвіт продовжує розширюватися. Ми бачимо свідчення цього розширення у світлі далеких об'єктів. У міру того, як фотони, випущені зіркою або галактикою, поширюються по Всесвіту, розтяг простору змушує їх втрачати енергію. Коли фотони досягають нас, їх довжини хвиль демонструють червоне усунення відповідно до дистанції, яку вони пройшли.

Ось чому космологи говорять про червоне зміщення як про функцію відстані у просторі та часі. Світло від віддалених об'єктів подорожує так довго, що коли ми нарешті бачимо його, ми спостерігаємо об'єкти такими, якими вони були мільярди років тому.

Об'єм Хаббла

Червоне зміщення світла дозволяє нам бачити об'єкти на зразок галактик такими, якими вони існували в далекому минулому, але ми не можемо спостерігати всі події, що відбувалися у нашому Всесвіті протягом її історії. Оскільки наш космос розширюється, світло деяких об'єктів виявляється просто далеким від нас, щоб його помітити.

Фізика цієї межі спирається, зокрема, на шматок навколишнього простору-часу під назвою обсяг Хаббла. Тут, Землі, ми визначаємо обсяг Хаббла шляхом виміру так званого параметра Хаббла (H0), величини, що пов'язує швидкість розбігання далеких об'єктів зі своїми червоним усуненням. Вперше її обчислив Едвін Хаббл в 1929, виявивши, що далекі галактики віддаляються від нас зі швидкістю, пропорційною червоному зміщенню їх світла.

Два джерела червоного усунення: Доплер та космологічне розширення. Знизу: детектори вловлюють світло, випущене центральною зіркою. Це світло розтягнуте, або зміщене, разом із розширенням простору

Розділивши швидкість світла на H0, ми матимемо обсяг Хаббла. Цей сферичний пляшечку охоплює область, в якій всі об'єкти віддаляються від центрального спостерігача зі швидкістю, меншою за швидкість світла. Відповідно, всі об'єкти за межами об'єму Хаббла віддаляються від центру швидше за швидкість світла.

Так, «швидше за швидкість світла». Як це можливо?

Магія відносності

Відповідь це питання пов'язані з різницею між спеціальної теорією відносності і загальної теорією відносності. Спеціальна теорія відносності вимагає так званої «інерційної системи відліку», або, якщо простіше, фону. Відповідно до цієї теорії, швидкість світла однакова у всіх інерційних системах. Якщо спостерігач сидить на лаві в парку планети Земля або злітає з Нептуна з запаморочливою швидкістю, для нього швидкість світла завжди буде однаковою. Фотон завжди віддаляється від спостерігача зі швидкістю 300 000 000 метрів за секунду.

Однак, описує тканину самого простору-часу. У цій теорії інерційних систем відліку немає. Простір не розширюється щодо чогось його межами, тому межа швидкості світла щодо спостерігача не работает. Так, галактики за межами сфери Хаббла віддаляються від нас швидше за швидкість світла. Але галактики власними силами не долають космічні обмеження. Для спостерігача в одній із таких галактик ніщо не порушує спеціальну теоріювідносності. Цей простір між нами і ці галактики прискорюються та розтягуються експоненційно.

Спостережуваний Всесвіт

Можливо, наступне вас трохи здивує: обсяг Хаббла - це не те ж саме, що й Всесвіт, що спостерігається.

Щоб зрозуміти це, розглянемо, що коли Всесвіт стає старшим, віддаленому світлу потрібно більше часу, щоб досягти наших детекторів тут, на Землі. Ми можемо бачити об'єкти, які прискорилися за межі нашого нинішнього обсягу Хаббла, тому що світло, яке ми бачимо сьогодні, було випущено ними, коли вони були всередині сфери.

Строго кажучи, наш Всесвіт, що спостерігається, збігається з чимось під назвою горизонт частинок. Горизонт часток відзначає відстань до найдальшого світла, яке ми можемо спостерігати в цей момент часу - у фотонів було достатньо часу, щоб або залишитися в межах, або наздогнати сферу Хаббла, що м'яко розширюється.

Спостережуваний Всесвіт. Технічно відома як горизонт часток

Що з відстанню? Трохи більше 46 мільярдів світлових років у будь-якому напрямку - і наш Всесвіт, що спостерігається, в діаметрі становить приблизно 93 мільярди світлових років, або понад 500 мільярдів трильйонів кілометрів.

(Невелика замітка: горизонт частинок - це не те саме, що космологічний горизонт подій. Горизонт часток охоплює всі події в минулому, які ми можемо бачити в даний час. Космологічний горизонт подій, з іншого боку, визначає відстань, на якій майбутній спостерігач зможе побачити на той момент стародавнє світло, який випромінюється нашим невеликим куточком простору-часу сьогодні.

Іншими словами, горизонт часток має справу з відстанню до об'єктів у минулому, давнє світло яких ми можемо спостерігати сьогодні; а космологічний обрій подій має справу з відстанню, яка зможе пройти наше сучасне світло, у міру того, як дальні куточки Всесвіту будуть прискорюватися від нас).

Темна енергія

Завдяки розширенню Всесвіту є регіони космосу, які ми ніколи не побачимо, навіть якщо чекатимемо нескінченний час, поки їхнє світло не досягне нас. Але як щодо тих зон, які лежать одразу за межами нашого сучасного обсягу Хаббла? Якщо ця сфера теж розширюється, чи зможемо побачити ці прикордонні об'єкти?

Це залежить від того, який регіон розширюється швидше - обсяг Хаббла або частину Всесвіту в безпосередній близькості від нього зовні. І відповідь це питання залежить від двох речей: 1) збільшується або зменшується H0; 2) прискорюється чи сповільнюється Всесвіт. Ці два темпи тісно пов'язані між собою, але не є одним і тим самим.

По суті, космологи вважають, що ми живемо у час, коли H0 зменшується; але через темну енергію швидкість розширення Всесвіту зростає.

Може здатися нелогічним, але поки H0 зменшується повільнішими темпами, ніж зростає швидкість розширення Всесвіту, загальний рух галактик від нас, як і раніше, відбувається з прискоренням. І в цей момент часу, як вважають космологи, розширення Всесвіту випереджатиме скромніше зростання обсягу Хаббла.

Тому навіть при тому, що обсяг Хаббла розширюється, вплив темної енергії встановлює жорсткий ліміт на розростання Всесвіту, що спостерігається.

Космологи ламають голову над глибокими питаннями на кшталт того, як виглядатиме Всесвіт, що спостерігається, в один прекрасний день і як зміниться розширення космосу. Але, зрештою, вчені можуть лише припускати відповіді на питання про майбутнє, ґрунтуючись на сьогоднішньому розумінні Всесвіту. Космологічні часові рамки настільки неймовірно великі, що неможливо сказати щось конкретне про поведінку Всесвіту в майбутньому. Сучасні моделі напрочуд добре відповідають сучасним даним, але правда в тому, що ніхто з нас не проживе досить довго, щоб побачити, чи збудуться прогнози.

Якщо, цікавлячись, ми візьмемо до рук довідник чи якийсь науково-популярний посібник, то неодмінно натрапимо в них на одну з версій теорії походження Всесвіту – так званої теорії «великого вибуху». У короткому вигляді цю теорію можна викласти так: спочатку вся матерія була стиснута в одну "точку", що мала надзвичайно високу температуру, а потім ця "точка" вибухнула з величезною силою. В результаті вибуху з супергарячої хмари субатомних частинок, що поступово розширювалася на всі боки, поступово утворювалися атоми, речовини, планети, зірки, галактики і, нарешті, життя.

При цьому розширення Всесвіту триває, і невідомо, як довго продовжуватиметься: можливо, колись воно досягне своїх кордонів.

Висновки космології ґрунтуються і на законах фізики, і на даних спостережної астрономії. Як будь-яка наука, космологія у своїй структурі крім емпіричного та теоретичного рівнів має також рівень філософських передумов, філософських підстав.

Так, в основі сучасної космології лежить припущення про те, що закони природи, встановлені на основі вивчення дуже обмеженої частини Всесвіту, найчастіше на основі дослідів на планеті Земля, можуть бути екстраполовані на значно більші області, зрештою - на весь Всесвіт.

Це припущення про стійкість законів природи у просторі та часі відноситься до рівня філософських основ сучасної космології.

Виникнення сучасної космології пов'язані з створенням релятивістської теорії тяжіння — загальної теорії відносності Ейнштейном (1916).

З рівнянь Ейнштейна загальної теорії відносності випливає кривизна простору-часу та зв'язок кривизни із щільністю маси (енергії).

Застосувавши загальну теорію відносності до Всесвіту в цілому, Ейншейн виявив, що такого рішення рівнянь, якому б відповідав Всесвіт, що не змінюється з часом, не існує.

Проте Ейнштейн уявляв Всесвіт як стаціонарний. Тому він увів у отримані рівняння додатковий доданок, що забезпечує стаціонарність Всесвіту.

На початку 20-х років радянський математик А.А.Фрідман вперше вирішив рівняння загальної теорії відносності стосовно всього Всесвіту, не накладаючи умови стаціонарності.

Він показав, що Всесвіт, заповнений тяжкою речовиною, повинен розширюватися або стискатися.

Отримані рівняння Фрідмана лежать в основі сучасної космології.

У 1929 році американський астроном Е.Хаббл опублікував статтю "Зв'язок між відстанню і променевою швидкістю позагалактичних туманностей", в якій дійшов висновку: "Далекі галактики йдуть від нас зі швидкістю, пропорційною віддаленості від нас.

Цей висновок Хаббл отримав на основі емпіричного встановлення певного фізичного ефекту- Червоного зміщення, тобто.

збільшення довжин хвиль ліній у спектрі джерела (зміщення ліній у бік червоної частини спектру) порівняно з лініями еталонних спектрів, що зумовлено ефектом Допплера, у спектрах галактик.

Відкриття Хабблом ефекту червоного зміщення, розбігання галактик лежить в основі концепції Всесвіту, що розширюється.

Відповідно до сучасних космологічних концепцій, Всесвіт розширюється, але центр розширення відсутній: з будь-якої точки Всесвіту картина розширення буде представлятися тією ж самою, а саме, всі галактики матимуть червоне усунення, пропорційні відстані до них.

Сам простір хіба що роздмухується.

Якщо на повітряній кульцінамалювати галактики і почати надувати його, то відстані між ними зростатимуть, причому тим швидше, чим далі вони розташовані один від одного. Різниця лише в тому, що намальовані на кульці галактики і самі збільшуються в розмірах, реальні ж зіркові системи усюди у Всесвіті зберігають свій обсяг через гравітацію.

Одна з найбільших проблем, що стоять перед прихильниками теорії «великого вибуху», якраз полягає в тому, що жоден із запропонованих ними сценаріїв виникнення Всесвіту неможливо описати математично чи фізично.

Згідно з базовими теоріями «великого вибуху», початковим станом Всесвіту була точка нескінченно малих розмірів із нескінченно великою щільністю та нескінченно високою температурою. Однак такий стан виходить за межі математичної логіки та не піддається формальному опису. Так що насправді про первісний стан Всесвіту нічого певного сказати не можна, і розрахунки тут підводять. Тому цей стан отримав серед науковців назву «феномена».

Оскільки цей бар'єр досі не подоланий, то науково-популярних виданнях для широкої публіки тема «феномена» зазвичай опускається взагалі, а спеціалізованих наукових публікаціях і виданнях, автори яких намагаються якось упоратися з цією математичною проблемою, про «феномен» » кажуть як про речі, неприпустимої з наукової точки зору, Стівен Хоукінг, професор математики з Кембриджського університету, і Дж.Ф.Р.Елліс, професор математики університету в Кейптауні, у своїй книзі «Довга шкала структури простір-час» вказують: « Досягнуті нами результати підтверджують концепцію, що Всесвіт виник кілька років тому.

Проте відправний пункт теорії виникнення Всесвіту – так званий «феномен» – знаходиться за межею відомих законів фізики».

Як відкривали розширення Всесвіту

Тоді доводиться визнати, що в ім'я обґрунтування «феномену», цього наріжного каменю теорії «великого вибуху» необхідно допустити можливість використання методів досліджень, що виходять за рамки сучасної фізики.

«Феномен», як і будь-який інший відправний пункт «початку Всесвіту», що включає щось, що неможливо описати науковими категоріями, Залишається відкритим питанням.

Проте виникає таке запитання: звідки виник сам «феномен», як він утворився? Адже проблема «феномена» – це лише частина набагато більшої проблеми, проблеми самого джерела початкового стану Всесвіту. Іншими словами – якщо спочатку Всесвіт був стиснутий у крапку, то що привело його до цього стану? І якщо ми навіть відмовимося від «феномена», що викликає теоретичні труднощі, то все одно залишиться питання: як утворився Всесвіт?

У спробах оминути цю труднощі, деякі вчені пропонують так звану теорію «пульсуючого Всесвіту».

На їхню думку, Всесвіт нескінченно, раз-по-раз, то стискається в точку, то розширюється до якихось меж. Такий Всесвіт не має ні початку, ні кінця, існують лише цикл розширення та цикл стиснення. При цьому автори гіпотези стверджують, що Всесвіт існував завжди, тим самим ніби повністю знімаючи питання про «початок світу».

Але річ у тому, що ніхто досі не представив задовільного пояснення механізму пульсації.

Чому відбувається пульсація Всесвіту? Якими причинами вона спричинена? Фізик Стівен Вайнберг у своїй книзі «Перші три хвилини» вказує, що за кожної чергової пульсації у Всесвіті неминуче має зростати величина співвідношення кількості фотонів до кількості нуклеонів, що веде до згасання нових пульсацій.

Вайнберг робить висновок, що так кількість циклів пульсації Всесвіту звичайно, а значить, в якийсь момент вони повинні припинитися. Отже, «пульсуючий Всесвіт» має кінець, а отже, має початок.

У 2011 році нобелівську премію з фізики було присуджено учаснику проекту Supernova Cosmology Саулу Перлмуттеру з Національної лабораторії Лоренса Берклі, а також членам дослідницької групи High-z Supernova Брайану П.

Шмідту з Австралійського національного університетута Адаму Г. Ріссу з Університету Джонса Хопкінса.

Троє вчених поділили премію за відкриття прискорення розширення Всесвіту шляхом спостереження далеких наднових зірок. Вони вивчали особливий вид наднових типу Ia.

Це старі компактні зірки, що вибухнули, важчі за Сонце, але розміром із Землю. Одна така наднова може випромінювати стільки світла, як ціла зоряна плеяда. Двом групам дослідників вдалося виявити понад 50 далеких наднових Ia, чиє світло виявилося слабшим, ніж очікувалося.

Це було доказом, що розширення Всесвіту прискорюється. Дослідження неодноразово натикалося на загадки та складні проблеми, проте, зрештою, обидві команди вчених дійшли однакових висновків про прискорення розширення Всесвіту.

Це відкриття насправді дивовижне.

Нам уже відомо, що після Великого вибухублизько 14 мільярдів років тому Всесвіт почав розширюватися. Проте відкриття того, що це розширення прискорюється, вразило самих першовідкривачів.

Причину загадкового прискорення приписують гіпотетичної темної енергії, яка становить за розрахунками приблизно три чверті Всесвіту, але й досі залишається найбільшою загадкою сучасної фізики.

Астрономія

Астрономія->Розширюється Всесвіт->

Тестування онлайн

матеріал із книги Стівена Хокінга та Леонарда Млодінова « Найкоротша історіячасу»

Ефект Доплера

У 1920-і роки, коли астрономи почали вивчати спектри зірок в інших галактиках, було виявлено щось дуже цікаве: це виявилися ті самі характерні набори відсутніх кольорів, що і у зірок у нашій власній галактиці, але всі вони були зміщені до червоного кінця спектру , причому у однаковій пропорції.

Фізикам зміщення кольору або частоти відоме як ефект Доплера.

Ми всі знайомі про те, як це явище впливає на звук. Прислухайтеся до звуку автомобіля, що проїжджає повз вас.

Всесвіт, що розширюється.

Коли він наближається, звук його двигуна або гудка здається вищим, а коли машина вже проїхала повз і стала віддалятися, звук знижується. Поліцейський автомобіль, що їде до нас зі швидкістю сто кілометрів за годину, розвиває приблизно десяту частку швидкості звуку. Звук його сирени є хвилю, чергування гребенів і западин. Нагадаємо, що відстань між найближчими гребенями (або западинами) називається довжиною хвилі. Чим менша довжина хвилі, тим більше коливань досягає нашого вуха кожну секунду і тим вище тон, або частота звуку.

Ефект Доплера викликаний тим, що автомобіль, що наближається, випускаючи кожен наступний гребінь звукової хвилі, буде знаходитися все ближче до нас, і в результаті відстані між гребенями виявляться менше, ніж якби машина стояла на місці.

Це означає, що довжини хвиль, що приходять до нас, стають меншими, а їх частота – вище. І навпаки, якщо автомобіль видаляється, довжина хвиль, що уловлюються нами, стає більше, а їх частота - нижче. І чим швидше переміщається автомобіль, тим сильніше проявляється ефект Доплера, що дозволяє використовувати його для вимірювання швидкості.

Коли джерело, що випромінює хвилі, рухається у напрямку спостерігача, довжина хвиль зменшується.

При видаленні джерела вона навпаки збільшується. Це називають ефектом Доплера.

Світло і радіохвилі поводяться так само. Поліція використовує ефект Доплера визначення швидкості автомобілів шляхом вимірювання довжини хвилі відбитого від них радіосигналу.

Світло є коливання, або хвилі, електромагнітного поля. Довжина хвилі видимого світла надзвичайно мала – від сорока до вісімдесяти мільйонних часток метра. Людське око сприймає світлові хвилі різної довжини як різні кольори, причому найбільшу довжину мають хвилі, що відповідають червоному кінцю спектра, а найменшу – відносяться до синього кінця.

Тепер уявіть собі джерело світла, що знаходиться на постійній відстані від нас, наприклад, зірку, що випромінює світлові хвилі певної довжини. Довжина хвиль, що реєструються, буде такою ж, як у випускаються. Але припустимо тепер, що джерело світла почало віддалятися від нас. Як і у випадку зі звуком, це призведе до збільшення довжини хвилі світла, а значить, спектр зміститься у бік червоного кінця.

Розширення Всесвіту

Довівши існування інших галактик, Хаббл у роки займався визначенням відстаней до них і спостереженням їх спектрів.

У той час багато хто припускав, що галактики рухаються безладно, і очікували, що число спектрів, зміщених у синій бік, буде приблизно таким самим, як число зміщених у червоний. Тому повною несподіванкою стало відкриття того, що спектри більшості галактик демонструють червоне усунення – майже всі зіркові системи віддаляються від нас!

Ще дивовижнішим виявився факт, виявлений Хабблом і оприлюднений 1929 року: величина червоного усунення галактик не випадкова, а прямо пропорційна їхньої віддаленості від нас. Іншими словами, що далі від нас галактика, то швидше вона віддаляється!Звідси випливало, що Всесвіт може бути статичної, постійної у розмірах, як вважалося раніше.

Насправді вона розширюється: відстань між галактиками невпинно зростає.

Усвідомлення того, що Всесвіт розширюється, справило справжню революцію в умах, одну з найбільших у ХХ столітті. Коли озираєшся назад, може здатися дивним, що ніхто не додумався раніше. Ньютон та інші великі уми повинні були зрозуміти, що статичний Всесвіт був би нестабільний. Навіть якщо в якийсь момент вона виявилася нерухомою, взаємне тяжіння зірок і галактик швидко призвело б до її стиснення.

Навіть якби Всесвіт відносно повільно розширювався, гравітація зрештою поклала б кінець її розширенню і викликала б стиснення. Однак, якщо швидкість розширення Всесвіту більша за деяку критичну позначку, гравітація ніколи не зможе його зупинити і Всесвіт продовжить розширюватися вічно.

Тут проглядається віддалена подібність із ракетою, що піднімається з поверхні Землі.

При відносно низькій швидкості тяжіння врешті-решт зупинить ракету і почне падати на Землю. З іншого боку, якщо швидкість ракети вища за критичну (більше 11,2 кілометра в секунду), тяжіння не може утримати її і вона назавжди покидає Землю.

У 1965 році два американські фізики, Арно Пензіас і Роберт Вільсон з Белл телефон лабораторіс в Нью-Джерсі, налагоджували дуже чутливий мікрохвильовий приймач.

(Мікрохвилями називають випромінювання з довжиною хвилі близько сантиметра.) Пензіаса та Вільсона непокоїло, що приймач реєстрував більший рівень шуму, ніж очікувалося. Вони виявили на антені пташиний послід і усунули інші потенційні причини збоїв, але скоро вичерпали всі можливі джерела перешкод. Шум відрізнявся тим, що реєструвався цілодобово протягом усього року незалежно від обертання Землі навколо своєї осі та її звернення навколо Сонця. Оскільки рух Землі направляв приймач до різних секторів космосу, Пензіас і Вільсон уклали, що шум приходить з-за меж Сонячної системиі навіть з-за меж Галактики.

Здавалося, він йшов рівною мірою з усіх боків космосу. Тепер ми знаємо, що, куди б не був направлений приймач, цей шум залишається незмінним, крім мізерно мінімальних варіацій. Так Пензіас і Вільсон випадково натрапили на разючий приклад про те, що Всесвіт однаковий у всіх напрямках.

Яким є походження цього космічного фонового шуму? Приблизно в той же час, коли Пензіас і Вільсон досліджували загадковий шум у приймачі, два американські фізики з Прінстонського університету, Боб Дік і Джим Піблс, теж зацікавилися мікрохвильами.

Вони вивчали припущення Георгія (Джорджа) Гамова про те, що на ранніх стадіяхрозвитку Всесвіт був дуже щільним і добіла розпеченим. Дік і Піблс вважали, що якщо це правда, то ми повинні мати можливість спостерігати світіння раннього Всесвіту, оскільки світло від далеких областей нашого світу приходить до нас тільки зараз. Однак внаслідок розширення Всесвіту це світло має бути настільки сильно зміщене в червоний кінець спектру, що перетвориться з видимого випромінювання на мікрохвильове.

Дік і Піблс саме готувалися до пошуків цього випромінювання, коли Пензіас і Вільсон, почувши про їхню роботу, зрозуміли, що вже знайшли його.

За цю знахідку Пензіас та Вільсон були у 1978 році удостоєні. Нобелівської премії(що здається дещо несправедливим щодо Діка і Піблса, а про Гамова).

На перший погляд, той факт, що Всесвіт виглядає однаково в будь-якому напрямку, свідчить про те, що ми займаємо в ньому якесь особливе місце. Зокрема, може здатися, що якщо всі галактики віддаляються від нас, то ми повинні знаходитися в центрі Всесвіту.

Є, однак, інше пояснення цього феномену: Всесвіт може виглядати однаково у всіх напрямках також при погляді з будь-якої іншої галактики.

Всі галактики віддаляються одна від одної.

Це нагадує розповзання кольорових плям на поверхні повітряної кулі. Зі зростанням розмірів кулі збільшуються і відстані між будь-якими двома плямами, але при цьому жодна з плям не можна вважати центром розширення.

Більше того, якщо радіус повітряної кулі постійно зростає, то чим далі один від одного знаходяться плями на його поверхні, тим швидше вони будуть видалятися при розширенні. Припустимо, що радіус повітряної кулі подвоюється кожну секунду.

Тоді дві плями, розділені спочатку відстанню в один сантиметр, через секунду виявляться вже на відстані двох сантиметрів один від одного (якщо вимірювати вздовж поверхні повітряної кулі), так що їхня відносна швидкість становитиме один сантиметр за секунду.

З іншого боку, пара плям, які були відокремлені десятьма сантиметрами, через секунду після початку розширення розійдуться на двадцять сантиметрів, тому їх відносна швидкість буде десять сантиметрів на секунду. Швидкість, з якою будь-які дві галактики віддаляються одна від одної, пропорційна відстані між ними.

Тим самим червоне зміщення галактики має бути прямо пропорційно її віддаленості від нас - це та сама залежність, яку пізніше виявив Хаббл. Російському фізику і математику Олександру Фрідману в 1922 році вдалося запропонувати вдалу модель і передбачити результати спостережень Хаббла, його робота залишалася майже невідомою на Заході, поки в 1935 році аналогічна модель не була запропонована американським фізиком Говардом Робертсоном і британським математиком Арбом Уб розширення Всесвіту.

Внаслідок розширення Всесвіту галактики віддаляються один від одного.

З плином часу відстань між далекими зірковими островами збільшується сильніше, ніж між близькими галактиками, подібно до того як це відбувається з плямами на роздмухується повітряній кулі.

Тому спостерігачеві з будь-якої галактики швидкість видалення іншої галактики здається тим більшою, чим далі вона розташована.

Три типи розширення Всесвіту

Перший клас рішень (той, що знайшов Фрідман) припускає, що розширення Всесвіту відбувається досить повільно, так що тяжіння між галактиками поступово уповільнює і, зрештою, зупиняє його.

Після цього галактики починають зближуватись, а Всесвіт – стискатися. Відповідно до другого класу рішень Всесвіт розширюється настільки швидко, що гравітація лише трохи сповільнить розбіг галактик, але ніколи не зможе зупинити його. Нарешті, є третє рішення, згідно з яким Всесвіт розширюється саме з такою швидкістю, щоб уникнути захлопування. Згодом швидкість розльоту галактик стає все меншою і меншою, але ніколи не досягає нуля.

Дивовижна особливість першої моделі Фрідмана – те, що в ній Всесвіт не нескінченний у просторі, але при цьому ніде у просторі немає жодних меж.

Гравітація настільки сильна, що простір згорнуто і замикається він. Це певною мірою схоже з поверхнею Землі, яка теж кінцева, але не має меж. Якщо рухатися поверхнею Землі у певному напрямку, то ніколи не натрапиш на непереборний бар'єр або край світу, але зрештою повернешся туди, звідки почав шлях.

У першій моделі Фрідмана простір влаштовано так само, але у трьох вимірах, а не у двох, як у випадку поверхні Землі. Ідея про те, що можна обігнути Всесвіт і повернутися до вихідної точки, хороша для наукової фантастики, але не має практичного значення, Оскільки, як можна довести, Всесвіт стиснеться в точку перш, ніж мандрівник повернеться до початку свого шляху.

Всесвіт настільки великий, що треба рухатися швидше світла, щоб встигнути закінчити мандрівку там, де його почали, а такі швидкості заборонені (теорією відносності). У другій моделі Фрідмана простір також викривлено, але інакше.

І лише у третій моделі великомасштабна геометрія Всесвіту плоска (хоча простір викривляється на околиці масивних тіл).

Яка з моделей Фрідмана описує наш Всесвіт? Чи зупиниться колись розширення Всесвіту, і чи зміниться воно стисненням, чи Всесвіт розширюватиметься вічно?

Виявилося, що відповісти на це питання важче, ніж спочатку уявлялося вченим. Його вирішення залежить головним чином від двох речей - спостерігається нині швидкості розширення Всесвіту і його сьогоднішньої середньої щільності (кількості матерії, що припадає на одиницю обсягу простору).

Чим вище поточна швидкість розширення, тим більша гравітація, отже, і щільність речовини, потрібно зупинити розширення. Якщо середня щільність вище деякого критичного значення (визначається швидкістю розширення), то гравітаційне тяжіння матерії зможе зупинити розширення Всесвіту і змусити його стискатися. Така поведінка Всесвіту відповідає першій моделі Фрідмана.

Якщо середня щільність менша від критичного значення, тоді гравітаційне тяжіння не зупинить розширення і Всесвіт буде розширюватися вічно – як у другій фридманівській моделі. Нарешті, якщо середня щільність Всесвіту точно дорівнює критичному значенню, розширення Всесвіту буде вічно уповільнюватися, все ближче підходячи до статичного стану, але ніколи не досягаючи його.

Цей сценарій відповідає третій моделі Фрідмана.

То яка ж модель вірна? Ми можемо визначити нинішні темпи розширення Всесвіту, якщо виміряємо швидкість віддалення від інших галактик, використовуючи ефект Доплера.

Це можна зробити дуже точно. Однак відстані до галактик відомі не дуже добре, оскільки ми можемо вимірювати їх лише побічно. Тому нам відомо лише те, що швидкість розширення Всесвіту становить від 5 до 10% за мільярд років. Ще більш розпливчасті наші знання про нинішню середню щільність Всесвіту. Так, якщо ми складемо маси всіх видимих ​​зіроку нашій та інших галактиках, сума буде меншою за соту частку того, що потрібно для зупинки розширення Всесвіту, навіть при найнижчій оцінці швидкості розширення.

Але це далеко ще не все.

Наша та інші галактики мають утримувати велика кількістьтакої собі «темної матерії», яку ми можемо спостерігати безпосередньо, але існування якої ми знаємо завдяки її гравітаційному впливу на орбіти зірок у галактиках. Можливо, найкращим свідченням існування темної матерії є орбіти зірок на периферії спіральних галактик, подібних Чумацького Шляху.

Ці зірки обертаються навколо своїх галактик занадто швидко, щоб їх могло утримувати на орбіті тяжіння лише видимих ​​зірок галактики. Крім того, більшість галактик входять до складу скупчень, і ми можемо аналогічно зробити висновок про присутність темної матерії між галактиками в цих скупченнях за її впливом на рух галактик.

Фактично кількість темної матерії у Всесвіті значно перевищує кількість звичайної речовини. Якщо зважити на всю темну матерію, ми отримаємо приблизно десяту частину від тієї маси, яка необхідна для зупинки розширення.

Не можна, однак, виключати існування інших, ще не відомих нам форм матерії, розподілених майже рівномірно всюди у Всесвіті, що могло б підвищити її. середню щільність.

Наприклад, існують елементарні частки, Звані нейтрино, які дуже слабко взаємодіють з речовиною і які надзвичайно важко виявити.

За останні кілька років різні групи дослідників вивчали найдрібнішу брижі того мікрохвильового фону, який виявили Пензіас і Вільсон. Розмір цієї брижів може служити індикатором великомасштабної структури Всесвіту. Її характер, схоже, вказує, що Всесвіт таки плоский (як у третій моделі Фрідмана)!

Але оскільки сумарної кількості звичайної та темної матерії для цього недостатньо, фізики постулювали існування іншої, поки що не виявленої, субстанції – темної енергії.

І начебто для того, щоб ще більше ускладнити проблему, нещодавні спостереження показали, що розширення Всесвіту не сповільнюється, а пришвидшується.

Попри всі моделі Фрідмана! Це дуже дивно, оскільки присутність у просторі речовини – високої чи низької щільності – може лише сповільнювати розширення. Адже гравітація завжди діє як сила тяжіння. Прискорення космологічного розширення – це все одно, що бомба, яка збирає, а не розсіює енергію після вибуху.

Яка сила відповідальна за розширення космосу, що прискорюється? Ніхто не має надійної відповіді на це питання. Однак, можливо, Ейнштейн все-таки мав рацію, коли ввів у свої рівняння космологічну постійну (і відповідний їй ефект антигравітації).

Помилка Ейнштейна

Розширення Всесвіту могло бути передбачено будь-якої миті в дев'ятнадцятому або вісімнадцятому столітті і навіть наприкінці сімнадцятого століття.

Однак віра в статичну Всесвіт була настільки сильна, що помилка зберігала владу над умами до початку двадцятого сторіччя. Навіть Ейнштейн був настільки впевнений у статичності Всесвіту, що в 1915 році вніс спеціальну поправку в загальну теорію відносності, штучно додавши до рівнянь особливий член, який отримав назву космологічного постійного, який забезпечував статичність Всесвіту.

Космологічна стала проявлялася як дія якоїсь нової сили – «антигравітації», яка, на відміну від інших сил, не мала жодного певного джерела, а просто була невід'ємною властивістю, властивою самій тканині простору-часу.

Під впливом цієї сили простір-час виявляв уроджену тенденцію до розширення. Підбираючи величину космологічної постійної, Ейнштейн міг варіювати силу цієї тенденції. З її допомогою він зумів точно врівноважити взаємне тяжіння всієї існуючої матерії і отримати в результаті статичну Всесвіт.

Пізніше Ейнштейн відкинув ідею постійної космологічної, визнавши її своєю «найбільшою помилкою».

Як ми скоро переконаємося, сьогодні є причини вважати, що врешті-решт Ейнштейн міг все ж таки мати рацію, вводячи космологічну постійну. Але Ейнштейна, мабуть, найбільше пригнічувало те, що він дозволив своїй вірі в нерухомий Всесвіт перекреслити висновок про те, що Всесвіт повинен розширюватися, передбачений його ж власною теорією. Здається, тільки одна людина розглянула це наслідок загальної теорії відносності і прийняла його всерйоз. Поки Ейнштейн та інші фізики шукали, як уникнути нестатичності Всесвіту, російський фізик та математик Олександр Фрідман, навпаки, наполягав на тому, що він розширюється.

Фрідман зробив щодо Всесвіту два дуже простих припущення: що вона однаково виглядає, у якому напрямі ми не дивилися, і що дане становище вірне, незалежно від того, з якої точки Всесвіту ми дивимося.

Спираючись на ці дві ідеї та вирішивши рівняння загальної теорії відносності, він довів, що Всесвіт не може бути статичним. Таким чином, у 1922 році, за кілька років до відкриття Едвіна Хаббла, Фрідман точно передбачив розширення Всесвіту!

Століття тому християнська церква визнала б його єретичним, оскільки церковна доктрина постулювала, що ми займаємо особливе місце у центрі світобудови.

Але сьогодні ми приймаємо це припущення Фрідмана з чи не протилежної причини зі свого роду скромності: нам здалося б зовсім дивним, якби Всесвіт виглядав однаково у всіх напрямках тільки для нас, але не для інших спостерігачів у Всесвіті!

ВСЕСВІТ(від грец. «Ойкумена» – населена, житла земля) – «все існуюче», «всеосяжне світове ціле», «тотальність всіх речей»; зміст цих термінів багатозначний і визначається концептуальним контекстом.

Можна виділити принаймні три рівні поняття «Всесвіт».

1. Всесвіт як філософська ідея має сенс, близький поняттю «універсум», або «світ»: «матеріальний світ», «створене буття» та ін. Вона відіграє важливу роль у європейській філософії. Образи Всесвіту у філософських онтологіях включалися у філософські основи наукових досліджень Всесвіту.

2. Всесвіт у фізичній космології, або Всесвіт як ціле – об'єкт космологічних екстраполяцій.

У традиційному сенсі – всеосяжна, необмежена та принципово єдина фізична система («Всесвіт виданий в одному екземплярі» – А.Пуанкаре); матеріальний світ, що розглядається з фізико-астрономічного погляду (А.Л.Зельманов). Різні теорії та моделі Всесвіту розглядаються з цієї точки зору як нееквівалентні один одному того самого оригіналу.

Таке розуміння Всесвіту як цілого обгрунтовувалося по-різному: 1) посиланням на «презумпцію екстраполі-руемості»: космологія претендує саме на репрезентацію в системі знання своїми концептуальними засобами всеосяжного світового цілого, і, поки не доведено зворотне, ці претензії повинні ; 2) логічно – Всесвіт визначається як всеосяжне світове ціле, та інших Всесвітів не може існувати за визначенням тощо. Класична, Ньютонова космологія створила образ Всесвіту, нескінченного у просторі та часі, причому нескінченність вважалася атрибутивною властивістю Всесвіту.

Загальноприйнято, що нескінченний гомогенний Всесвіт Ньютона «зруйнував» античний космос. Проте наукові та філософські образи Всесвіту продовжують співіснувати у культурі, взаємозбагачуючи один одного.

Ньютонівський Всесвіт зруйнував образ античного космосу лише тому сенсі, що відділяла людину від Всесвіту і навіть протиставляла їх.

У некласичній, релятивістській космології було вперше побудовано теорію Всесвіту.

Її властивості виявилися зовсім відмінними від ньютонівських. Відповідно до теорії всесвіту, розвиненого Фрідманом, Всесвіт як ціле може бути і кінцевою, і нескінченною в просторі, а в часі вона у всякому разі кінцева, тобто.

мала початок. А.А.Фрідман вважав, що світ, або Всесвіт як об'єкт космології, «нескінченно вже і менше світу-всесвіту філософа». Навпаки, переважна більшість космологів на основі принципу однаковості ототожнювало моделі Всесвіту, що розширюється, з нашою Метагалактикою. Початковий момент розширення Метагалактики розглядався як абсолютний «початок всього», з креаціоністської точки зору – як «створення світу». Деякі космологи-релятивісти, вважаючи принцип одноманітності недостатньо обґрунтованим спрощенням, розглядали Всесвіт як всеосяжну фізичну систему більшого масштабу, ніж Метагалактика, а Метагалактику – лише обмежену частину Всесвіту.

Релятивістська космологія докорінно змінила образ Всесвіту у науковій картині світу.

У світоглядному плані вона повернулася до образу античного космосу у тому сенсі, що знову пов'язала людину і (що еволюціонує) Всесвіт. Подальшим крокому цьому напрямі з'явився антропний принцип у космології.

Сучасний підхід до інтерпретації Всесвіту як цілого ґрунтується, по-перше, на розмежуванні філософської ідеї світу та Всесвіту як об'єкта космології; по-друге, це поняття релятивізується, тобто. його обсяг співвідноситься з певним щаблем пізнання, космологічною теорією чи моделлю – у чисто лінгвістичному (безвідносно до їх об'єктного статусу) або ж у об'єктному сенсі.

Всесвіт інтерпретувався, напр., як «найбільше подій, до якого можуть бути застосовані наші фізичні закони, екстраполовані тим чи іншим чином» або «можли б вважатися фізично пов'язаними з нами» (Г. Бонді).

Розвитком цього підходу стала концепція, за якою Всесвіт у космології – це «все існуюче» над якомусь абсолютному сенсі, лише з погляду цієї космологічної теорії, тобто. фізична система найбільшого масштабу та порядку, існування якої випливає із певної системи фізичного знання.

Це відносна і минуща межа пізнаного мегамиру, яка визначається можливостями екстраполяції системи фізичного знання. Під Всесвітом як цілим не завжди мається на увазі той самий «оригінал». Навпаки, різні теорії можуть як свого об'єкта неоднакові оригінали, тобто. фізичні системирізного порядку та масштабу структурної ієрархії. Але всі претензії на репрезентацію всеосяжного світового цілого в абсолютному значенні залишаються бездоказовими.

При інтерпретації Всесвіту у космології слід проводити різницю між потенційно та актуально існуючим. Те, що сьогодні вважається неіснуючим, завтра може вступити у сферу наукового дослідження, виявиться існуючим (з погляду фізики) і буде включено до нашого розуміння Всесвіту. Так, якщо теорія Всесвіту, що розширюється, описувала по суті нашу Метагалактику, то найбільш популярна в сучасній космології теорія інфляційного («роздмухується») Всесвіту вводить поняття про безліч «інших всесвітів» (або, у термінах емпіричної мови, позаметагалактично. властивостями.

Інфляційна теорія визнає, тобто, мегаскопічне порушення принципу однаковості Всесвіту і вводить додатковий йому за змістом принцип нескінченного різноманіття Всесвіту.

Тотальність цих всесвітів І.С.Шкловський запропонував назвати «Метавселеною». Інфляційна космологія в специфічній формі відроджує, т.ч., ідею нескінченності Всесвіту (метавселеного) як її нескінченного різноманіття. Об'єкти, подібні до Метагалактики, в інфляційній космології часто називають «мінівсесвітами».

Міні всесвіти виникають шляхом спонтанних флуктуацій фізичного вакууму. З цієї точки зору випливає, що початковий момент розширення нашого Всесвіту, Метагалактики не обов'язково має вважатися абсолютним початком всього.

Це лише початковий момент еволюції та самоорганізації однієї з космічних систем. У деяких варіантах квантової космології поняття Всесвіту тісно пов'язують із існуванням спостерігача («принцип співучасті»). «Породжуючи на певному обмеженому етапі свого існування спостерігачів-учасників, чи не набуває, у свою чергу, Всесвіт через їх спостереження ту відчутність, яку ми називаємо реальністю? Чи це не є механізм існування?» (А.Дж.Уілер).

Сенс поняття Всесвіту і в цьому випадку визначається теорією, заснованою на розрізненні потенційного та актуального існування Всесвіту як цілого у світлі квантового принципу.

3. Всесвіт в астрономії (спостерігається, чи астрономічний Всесвіт) – область світу, охоплена спостереженнями, нині частково і космічними експериментами, тобто.

«все існуюче» з погляду наявних в астрономії спостережних засобів та методів дослідження. Астрономічний Всесвіт є ієрархією космічних систем зростаючого масштабу і порядку складності, які послідовно відкривалися і досліджувалися наукою. Це – Сонячна система, наша зоряна система, Галактика (існування якої було доведено В.Гершелем у 18 ст), Метагалактика, відкрита Е.Хабблом у 1920-х рр.

В даний час спостереженню доступні об'єкти Всесвіту, віддалені від нас на відстані прибл. 9-12 млрд світлових років.

Протягом усієї історії астрономії аж до 2-ї пол.

Концепція Всесвіту, що розширюється.

20 ст. в астрономічному Всесвіті були відомі одні й ті самі типи небесних тіл: планети, зірки, газопилова речовина. Сучасна астрономія відкрила принципово нові, раніше не відомі типинебесних тіл, зокрема.

надщільні об'єкти в ядрах галактик (можливо, що є чорними дірками). Багато станів небесних тіл у астрономічному Всесвіті виявилися різко нестаціонарними, нестійкими, тобто. що знаходяться в точках біфуркації. Передбачається, що переважна частина (до 90-95%) речовини астрономічного Всесвіту зосереджена в невидимих, поки не спостерігається формах («прихована маса»).

Література:

1. Фрідман А.А.

Ізбр. праці. М., 1965;

2. Нескінченність та Всесвіт. М., 1970;

3. Всесвіт, астрономія, філософія. М, 1988;

4. Астрономія та сучасна картина світу.

5. Бонді H. Cosmology. Cambr., 1952;

6. Munitz M. Space, Time and Creation. N.Y., 1965.

В.В.Казютінський

Якщо подивитися на небо ясної місячної ночі, то найяскравішими об'єктами, швидше за все, виявляться планети Венера, Марс, Юпітер і Сатурн. А ще ви побачите цілий розсип зірок, схожих на наше Сонце, але розташованих набагато далі від нас. Деякі з цих нерухомих зірок насправді ледь помітно зміщуються одна щодо одної під час руху Землі навколо Сонця. Вони зовсім не нерухомі! Це відбувається тому, що такі зірки знаходяться порівняно близько до нас. Внаслідок руху Землі навколо Сонця ми бачимо ці ближчі зірки на тлі більш далеких із різних положень. Той самий ефект спостерігається, коли ви їдете на машині, а дерева біля дороги ніби змінюють своє становище на тлі ландшафту, що йде до горизонту (рис. 14). Чим ближче дерева, тим помітніший їхній видимий рух. Така зміна відносного положення називається паралаксом. У випадку зі зірками це справжня удача для людства, тому що паралакс дозволяє нам безпосередньо виміряти відстань до них.

Рис. 14. Зірковий паралакс.

Чи рухаєтеся ви по дорозі або в космосі, відносне становище ближніх і далеких тіл змінюється в міру вашого руху. Величина цих змін може бути використана визначення відстані між тілами.

Найближча зірка, Проксима Центавра, віддалена від нас приблизно на чотири світлові роки або сорок мільйонів мільйонів кілометрів. Більшість інших зірок, видимих ​​неозброєним оком, знаходяться за кілька сотень світлових років від нас. Для порівняння: від Землі до Сонця лише вісім світлових хвилин! Зірки розкидані по всьому нічному небу, але особливо густо розсипані в смузі, яку ми називаємо Чумацьким Шляхом. Вже в 1750 р. деякі астрономи висловлювали припущення, що вид Чумацького Шляху можна пояснити, якщо вважати, що більшість видимих ​​зірок зібрані в дископодібну конфігурацію, на зразок тих, що ми тепер називаємо спіральними галактиками. Лише через кілька десятиліть англійський астроном Вільям Гершель підтвердив справедливість цієї ідеї, ретельно підраховуючи кількість зірок, які можна побачити в телескоп на різних ділянках неба. Проте повне визнання ця ідея отримала лише у ХХ столітті. Тепер ми знаємо, що Чумацький Шлях - наша Галактика - розкинувся від краю до краю приблизно сто тисяч світлових років і повільно обертається; зірки в його спіральних рукавах роблять один оберт навколо центру Галактики за кілька сотень мільйонів років. Наше Сонце - звичайнісінька жовта зірка середніх розмірів - знаходиться у внутрішнього краю одного зі спіральних рукавів. Безперечно, ми пройшли довгий шлях з часів Аристотеля і Птолемея, коли люди вважали Землю центром Всесвіту.

Сучасна картина Всесвіту почала промальовуватися в 1924 р., коли американський астроном Едвін Хаббл довів, що Чумацький Шлях не єдина галактика. Він відкрив, що є безліч інших зоряних систем, розділених великими порожніми просторами. Щоб підтвердити це, Хаббл мав визначити відстань Землі до інших галактик. Але галактики знаходяться так далеко, що на відміну від найближчих зірок, дійсно виглядають нерухомими. Не маючи можливості використовувати паралакс для вимірювання відстаней до галактик, Хаббл змушений був застосувати непрямі методи оцінки відстаней. Очевидним заходом відстані до зірки є її яскравість. Але видима яскравість залежить не тільки від відстані до зірки, але також і від світності зірки - кількості світла, що нею випускається. Тьмяна, але близька до нас зірка затьмарить найяскравіше світило з віддаленої галактики. Тому, щоб використовувати видиму яскравість як міру відстані, ми повинні знати світність зірки.

Світимість найближчих зірок можна розрахувати за їхньою видимою яскравістю, оскільки завдяки паралаксу ми знаємо відстань до них. Хаббл зауважив, що близькі зірки можна класифікувати за характером світла. Зірки одного класу завжди мають однакову світність. Далі він припустив, що якщо ми виявимо зірки цих класів у далекій галактиці, то їм можна приписати ту саму світність, яку мають подібні зірки поблизу нас. Маючи в своєму розпорядженні таку інформацію, неважко обчислити відстань до галактики. Якщо обчислення, виконані для безлічі зірок в одній і тій же галактиці, дають те саме відстань, то можна бути впевненим у правильності нашої оцінки. У такий спосіб Едвін Хаббл обчислив відстані до дев'яти різних галактик.

Сьогодні ми знаємо, що зірки, видимі неозброєним оком, становлять мізерну частку всіх зірок. Ми бачимо на небі приблизно 5000 зірок - лише близько 0,0001% від числа всіх зірок нашої Галактики, Чумацького Шляху. А Чумацький Шлях - лише одна з більш ніж сотні мільярдів галактик, які можна спостерігати за сучасними телескопами. І кожна галактика містить близько сотні мільярдів зірок. Якби зірка була крупинкою солі, всі зірки, видимі неозброєним оком, вмістилися б у чайній ложці, проте зірки всього Всесвіту склали б кулю діаметром понад тринадцять кілометрів.

Зірки настільки далекі від нас, що здаються точками, що світяться. Ми не можемо розрізнити їх розмір чи форму. Але, як зауважив Хаббл, є багато різних типів зірок, і ми можемо розрізняти їх за кольором випромінювання. Ньютон виявив, що, якщо сонячне світлопропустити через тригранну скляну призму, він розкладеться на складові кольору, подібно до веселки (рис. 15). Відносна інтенсивність різних кольорів у випромінюванні, що випускається деяким джерелом світла, називається його спектром. Фокусуючи телескоп на окремій зірці або галактиці, можна досліджувати спектр світла, що випромінюється ними.

Рис. 15. Зірковий спектр.

Аналізуючи спектр випромінювання зірки, можна визначити як її температуру, і склад атмосфери.

У числі іншого випромінювання тіла дозволяє будувати висновки про його температурі. У 1860 р. німецький фізик Густав Кірхгоф встановив, що будь-яке матеріальне тіло, наприклад зірка, будучи нагрітим, випромінює світло або інше випромінювання, подібно до того, як світиться розпечене вугілля. Світіння нагрітих тіл обумовлено тепловим рухом атомів усередині них. Це називається випромінюванням чорного тіла (попри те що самі нагріті тіла є чорними). Спектр чорнотільного випромінювання важко з чимось переплутати: він має характерний вигляд, що змінюється з температурою тіла (рис. 16). Тому випромінювання нагрітого тіла подібно до показань термометра. Спостерігається нами спектр випромінювання різних зірок завжди нагадує випромінювання чорного тіла, це свого роду повідомлення про температурі зірки.

Рис. 16. Спектр випромінювання темного тіла.

Всі тіла - а не тільки зірки - випромінюють внаслідок теплового руху складових їх мікроскопічних частинок. Розподіл випромінювання частотою характеризує температуру тіла.

Якщо уважно вивчити зоряне світло, він повідомить нам ще більше інформації. Ми виявимо відсутність деяких певних кольорів, причому у різних зірок вони будуть різними. І оскільки ми знаємо, що кожен хімічний елементпоглинає характерний йому набір кольорів, то, порівнюючи ці кольори з тими, що у спектрі зірки, ми зможемо точно визначити, які елементи присутні у її атмосфері.

У 1920 е рр., коли астрономи почали вивчати спектри зірок в інших галактиках, було виявлено щось дуже цікаве: це виявилися ті самі характерні набори відсутніх кольорів, що й у зірок у нашій власній галактиці, але всі вони були зміщені до червоного кінця спектру , причому у однаковій пропорції. Фізикам зміщення кольору або частоти відоме як ефект Доплера.

Ми всі знайомі про те, як це явище впливає на звук. Прислухайтеся до звуку автомобіля, що проїжджає повз вас. Коли він наближається, звук його двигуна або гудка здається вищим, а коли машина вже проїхала повз і стала віддалятися, звук знижується. Поліцейський автомобіль, що їде до нас зі швидкістю сто кілометрів за годину, розвиває приблизно десяту частку швидкості звуку. Звук його сирени є хвилю, чергування гребенів і западин. Нагадаємо, що відстань між найближчими гребенями (або западинами) називається довжиною хвилі. Чим менша довжина хвилі, тим більше коливань досягає нашого вуха кожну секунду і тим вище тон, або частота звуку.

Ефект Доплера викликаний тим, що автомобіль, що наближається, випускаючи кожен наступний гребінь звукової хвилі, буде знаходитися все ближче до нас, і в результаті відстані між гребенями виявляться менше, ніж якби машина стояла на місці. Це означає, що довжини хвиль, що приходять до нас, стають меншими, а їх частота - вище (рис. 17). І навпаки, якщо автомобіль видаляється, довжина хвиль, що уловлюються нами, стає більшою, а їх частота - нижче. І чим швидше переміщається автомобіль, тим сильніше проявляється ефект Доплера, що дозволяє використовувати його для вимірювання швидкості.

Рис. 17. Ефект Доплера.

Коли джерело, що випромінює хвилі, рухається у напрямку спостерігача, довжина хвиль зменшується. При видаленні джерела вона навпаки збільшується. Це називають ефектом Доплера.

Світло і радіохвилі поводяться так само. Поліція використовує ефект Доплера визначення швидкості автомобілів шляхом вимірювання довжини хвилі відбитого від них радіосигналу. Світло є коливання, або хвилі, електромагнітного поля. Як ми зазначали в гол. 5, довжина хвилі видимого світла надзвичайно мала - від сорока до вісімдесяти мільйонних часток метра.

Людське око сприймає світлові хвилі різної довжини як різні кольори, причому найбільшу довжину мають хвилі, що відповідають червоному кінцю спектра, а найменшу - відносяться до синього кінця. Тепер уявіть собі джерело світла, що знаходиться на постійній відстані від нас, наприклад, зірку, що випромінює світлові хвилі певної довжини. Довжина хвиль, що реєструються, буде такою ж, як у випускаються. Але припустимо тепер, що джерело світла почало віддалятися від нас. Як і у випадку зі звуком, це призведе до збільшення довжини хвилі світла, а значить, спектр зміститься у бік червоного кінця.

Довівши існування інших галактик, Хаббл у роки займався визначенням відстаней до них і спостереженням їх спектрів. У той час багато хто припускав, що галактики рухаються безладно, і очікували, що число спектрів, зміщених у синій бік, буде приблизно таким самим, як число зміщених у червоний. Тому повною несподіванкою стало відкриття того, що спектри більшості галактик демонструють червоне усунення – майже всі зіркові системи віддаляються від нас! Ще дивовижнішим виявився факт, виявлений Хабблом і оприлюднений 1929 р.: величина червоного усунення галактик не випадкова, а прямо пропорційна їхньої віддаленості від нас. Іншими словами, що далі від нас галактика, то швидше вона віддаляється! Звідси випливало, що Всесвіт може бути статичної, постійної у розмірах, як вважалося раніше. Насправді вона розширюється: відстань між галактиками невпинно зростає.

Усвідомлення того, що Всесвіт розширюється, справило справжню революцію в умах, одну з найбільших у ХХ столітті. Коли озираєшся назад, може здатися дивним, що ніхто не додумався раніше. Ньютон та інші великі уми повинні були зрозуміти, що статичний Всесвіт був би нестабільний. Навіть якщо в якийсь момент вона виявилася нерухомою, взаємне тяжіння зірок і галактик швидко призвело б до її стиснення. Навіть якби Всесвіт відносно повільно розширювався, гравітація зрештою поклала б кінець її розширенню і викликала б стиснення. Однак, якщо швидкість розширення Всесвіту більша за деяку критичну позначку, гравітація ніколи не зможе його зупинити і Всесвіт продовжить розширюватися вічно.

Тут проглядається віддалена подібність із ракетою, що піднімається з поверхні Землі. При відносно низькій швидкості тяжіння врешті-решт зупинить ракету і почне падати на Землю. З іншого боку, якщо швидкість ракети вища за критичну (більше 11,2 кілометра в секунду), тяжіння не може утримати її і вона назавжди покидає Землю.

Виходячи з теорії тяжіння Ньютона така поведінка Всесвіту могла бути передбачена будь-якої миті в дев'ятнадцятому або вісімнадцятому столітті і навіть наприкінці сімнадцятого століття. Однак віра в статичну Всесвіт була настільки сильна, що помилка зберігала владу над умами до початку двадцятого сторіччя. Навіть Ейнштейн був настільки впевнений у статичності Всесвіту, що в 1915 р. вніс спеціальну поправку в загальну теорію відносності, штучно додавши до рівнянь особливий член, який отримав назву космологічного постійного, який забезпечував статичність Всесвіту.
Космологічна стала проявлялася як дія якоїсь нової сили - «антигравітації», яка, на відміну від інших сил, не мала жодного певного джерела, а просто була невід'ємною властивістю, властивою самій тканині простору часу. Під впливом цієї сили простір час виявляв уроджену тенденцію до розширення. Підбираючи величину космологічної постійної, Ейнштейн міг варіювати силу цієї тенденції. З її допомогою він зумів точно врівноважити взаємне тяжіння всієї існуючої матерії і отримати в результаті статичну Всесвіт.
Пізніше Ейнштейн відкинув ідею постійної космологічної, визнавши її своєю «найбільшою помилкою». Як ми скоро переконаємося, сьогодні є причини вважати, що врешті-решт Ейнштейн міг все ж таки мати рацію, вводячи космологічну постійну. Але Ейнштейна, мабуть, найбільше пригнічувало те, що він дозволив своїй вірі в нерухомий Всесвіт перекреслити висновок про те, що Всесвіт повинен розширюватися, передбачений його ж власною теорією. Здається, тільки одна людина розглянула це наслідок загальної теорії відносності і прийняла його всерйоз. Поки Ейнштейн та інші фізики шукали, як уникнути нестатичності Всесвіту, російський фізик та математик Олександр Фрідман, навпаки, наполягав на тому, що він розширюється.

Фрідман зробив щодо Всесвіту два дуже простих припущення: що вона однаково виглядає, у якому напрямі ми не дивилися, і що дане становище вірне, незалежно від того, з якої точки Всесвіту ми дивимося. Спираючись на ці дві ідеї та вирішивши рівняння загальної теорії відносності, він довів, що Всесвіт не може бути статичним. Таким чином, у 1922 р., за кілька років до відкриття Едвіна Хаббла, Фрідман точно передбачив розширення Всесвіту!

Припущення, що Всесвіт виглядає однаково у будь-якому напрямі, зовсім відповідає дійсності. Наприклад, як ми вже знаємо, зірки нашої Галактики формують на нічному небі чітку світлу смугу - Чумацький Шлях. Але якщо ми подивимося на віддалені галактики, схоже, їх число буде більш-менш рівним у всіх частинах неба. Так що Всесвіт виглядає приблизно однаково в будь-якому напрямку, якщо спостерігати його у великому масштабі порівняно з відстанями між галактиками та ігнорувати відмінності у малих масштабах.

Уявіть собі, що ви у лісі, де дерева ростуть безладно. Подивившись в одному напрямку, ви побачите найближче дерево за метр від себе. В іншому напрямку найближче дерево виявиться на відстані трьох метрів. У третьому ви побачите відразу кілька дерев в одному, двох та трьох метрах від себе. Не схоже, що ліс виглядає однаково в будь-якому напрямку. Але якщо взяти до уваги всі дерева в радіусі кілометра, така різниця усередняться і ви побачите, що ліс однаковий у всіх напрямках (мал. 18).

Рис. 18. Ізотропний ліс.

Навіть якщо розподіл дерев у лісі в цілому рівномірний, при найближчому розгляді може виявитися, що вони подекуди зростають густіше. Так само і Всесвіт не виглядає однаковим у найближчому до нас космічному просторі, тоді як зі збільшенням масштабу ми спостерігаємо однакову картину, хоч би в якому напрямку вели спостереження.

Довгий час однорідний розподіл зірок служив достатньою підставою для прийняття фрідманівської моделі як перший наближення до реальної картини Всесвіту. Але пізніше щасливий випадок виявив ще одне підтвердження того, що припущення Фрідмана напрочуд точно описує Всесвіт. У 1965 р. два американські фізики, Арно Пензіас і Роберт Вільсон з Белл телефон лабораторіс в Нью Джерсі, налагоджували дуже чутливий мікрохвильовий приймач. (Мікрохвилями називають випромінювання з довжиною хвилі близько сантиметра.) Пензіаса та Вільсона непокоїло, що приймач реєстрував більший рівень шуму, ніж очікувалося. Вони виявили на антені пташиний послід і усунули інші потенційні причини збоїв, але скоро вичерпали всі можливі джерела перешкод. Шум відрізнявся тим, що реєструвався цілодобово протягом усього року незалежно від обертання Землі навколо своєї осі та її звернення навколо Сонця. Оскільки рух Землі спрямовував приймач у різні сектори космосу, Пензіас і Вільсон зробили висновок, що шум приходить з-за меж Сонячної системи і навіть з-за меж Галактики. Здавалося, він йшов рівною мірою з усіх боків космосу. Тепер ми знаємо, що, куди б не був направлений приймач, цей шум залишається незмінним, крім мізерно мінімальних варіацій. Так Пензіас і Вільсон випадково натрапили на разючий приклад, що підкріплює першу гіпотезу Фрідмана про те, що Всесвіт однаковий у всіх напрямках.

Яким є походження цього космічного фонового шуму? Приблизно в той же час, коли Пензіас і Вільсон досліджували загадковий шум у приймачі, два американські фізики з Прінстонського університету, Боб Дік і Джим Піблс, теж зацікавилися мікрохвильами. Вони вивчали припущення Георгія (Джорджа) Гамова (у минулому студента Олександра Фрідмана) про те, що на ранніх стадіях розвитку Всесвіт був дуже щільним і розпеченим. Дік і Піблс вважали, що якщо це правда, то ми повинні мати можливість спостерігати світіння раннього Всесвіту, оскільки світло від далеких областей нашого світу приходить до нас тільки зараз. Однак внаслідок розширення Всесвіту це світло має бути настільки сильно зміщене в червоний кінець спектру, що перетвориться з видимого випромінювання на мікрохвильове. Дік і Піблс саме готувалися до пошуків цього випромінювання, коли Пензіас і Вільсон, почувши про їхню роботу, зрозуміли, що вже знайшли його. За цю знахідку Пензіас та Вільсон були у 1978 р. удостоєні Нобелівської премії (що здається дещо несправедливим щодо Діка та Піблса, не кажучи вже про Гамову).

На перший погляд той факт, що Всесвіт виглядає однаково в будь-якому напрямку, свідчить про те, що ми займаємо в ньому якесь особливе місце. Зокрема, може здатися, що якщо всі галактики віддаляються від нас, то ми повинні знаходитися в центрі Всесвіту. Є, однак, інше пояснення цього феномену: Всесвіт може виглядати однаково у всіх напрямках також при погляді з будь-якої іншої галактики. Якщо пам'ятаєте, саме в цьому й полягало друге припущення Фрідмана.

Ми не маємо жодних наукових аргументів за або проти другої гіпотези Фрідмана. Століття тому християнська церква визнала б його єретичним, оскільки церковна доктрина постулювала, що ми займаємо особливе місце у центрі світобудови. Але сьогодні ми приймаємо це припущення Фрідмана з чи не протилежної причини зі свого роду скромності: нам здалося б зовсім дивним, якби Всесвіт виглядав однаково у всіх напрямках тільки для нас, але не для інших спостерігачів у Всесвіті!

У фрідмановской моделі Всесвіту всі галактики віддаляються одна від одної. Це нагадує розповзання кольорових плям на поверхні повітряної кулі. Зі зростанням розмірів кулі збільшуються і відстані між будь-якими двома плямами, але при цьому жодна з плям не можна вважати центром розширення. Більше того, якщо радіус повітряної кулі постійно зростає, то чим далі один від одного знаходяться плями на його поверхні, тим швидше вони будуть видалятися при розширенні. Припустимо, що радіус повітряної кулі подвоюється кожну секунду. Тоді дві плями, розділені спочатку відстанню в один сантиметр, через секунду виявляться вже на відстані двох сантиметрів один від одного (якщо вимірювати вздовж поверхні повітряної кулі), так що їхня відносна швидкість становитиме один сантиметр за секунду. З іншого боку, пара плям, які були відокремлені десятьма сантиметрами, через секунду після початку розширення розійдуться на двадцять сантиметрів, тому їх відносна швидкість буде десять сантиметрів за секунду (рис. 19). Так само у моделі Фрідмана швидкість, з якою будь-які дві галактики віддаляються одна від одної, пропорційна відстані між ними. Тим самим модель передбачає, що червоне усунення галактики має бути прямо пропорційно її віддаленості від нас - це та сама залежність, яку пізніше виявив Хаббл. Хоча Фрідману вдалося запропонувати вдалу модель і передбачити результати спостережень Хаббла, його робота залишалася майже невідомою на Заході, поки в 1935 аналогічна модель не була запропонована американським фізиком Говардом Робертсоном і британським математиком Артуром Вокером вже по слідах відкритого Хабблом розширення Вселен.

Рис. 19. Всесвіт повітряної кулі, що розширюється.

Внаслідок розширення Всесвіту галактики віддаляються один від одного. З часом відстань між далекими зоряними островами збільшується сильніше, ніж між близькими галактиками, подібно до того як це відбувається з плямами на повітряній кулі, що роздмухується. Тому спостерігачеві з будь-якої галактики швидкість видалення іншої галактики здається тим більшою, чим далі вона розташована.

Фрідман запропонував лише одну модель Всесвіту. Але при зроблених ним припущеннях рівняння Ейнштейна допускають три класи рішень, тобто три різних типуфрідманівських моделей і три різні сценарії розвитку Всесвіту.

Перший клас рішень (той, що знайшов Фрідман) припускає, що розширення Всесвіту відбувається досить повільно, так що тяжіння між галактиками поступово уповільнює і, зрештою, зупиняє його. Після цього галактики починають зближуватися, а Всесвіт – стискатися. Відповідно до другого класу рішень Всесвіт розширюється настільки швидко, що гравітація лише трохи сповільнить розбіг галактик, але ніколи не зможе зупинити його. Нарешті, є третє рішення, згідно з яким Всесвіт розширюється саме з такою швидкістю, щоб уникнути захлопування. Згодом швидкість розльоту галактик стає все меншою і меншою, але ніколи не досягає нуля.

Дивовижна особливість першої моделі Фрідмана - те, що в ній Всесвіт не нескінченний у просторі, але при цьому ніде у просторі немає жодних меж. Гравітація настільки сильна, що простір згорнуто і замикається він. Це певною мірою схоже з поверхнею Землі, яка теж кінцева, але не має меж. Якщо рухатися поверхнею Землі у певному напрямку, то ніколи не натрапиш на непереборний бар'єр або край світу, але зрештою повернешся туди, звідки почав шлях. У першій моделі Фрідмана простір влаштовано так само, але у трьох вимірах, а не у двох, як у випадку поверхні Землі. Ідея про те, що можна обігнути Всесвіт і повернутися до вихідної точки, хороша для наукової фантастики, але не має практичного значення, оскільки, як можна довести, Всесвіт стиснеться в точку перш, ніж мандрівник повернеться до початку свого шляху. Всесвіт настільки великий, що треба рухатися швидше за світло, щоб встигнути закінчити мандрівку там, де ви його почали, а такі швидкості заборонені (теорією відносності. - Перев.). У другій моделі Фрідмана простір також викривлено, але інакше. І лише у третій моделі великомасштабна геометрія Всесвіту плоска (хоча простір викривляється на околиці масивних тіл).

Яка з моделей Фрідмана описує наш Всесвіт? Чи зупиниться колись розширення Всесвіту, і чи зміниться воно стиском, чи Всесвіт буде розширюватися вічно?

Виявилося, що відповісти на це питання важче, ніж спочатку уявлялося вченим. Його вирішення залежить головним чином від двох речей - спостерігається нині швидкості розширення Всесвіту і його сьогоднішньої середньої щільності (кількості матерії, що припадає на одиницю обсягу простору). Чим вище поточна швидкість розширення, тим більша гравітація, а значить, і щільність речовини, потрібно, щоб зупинити розширення. Якщо середня щільність вище деякого критичного значення (визначається швидкістю розширення), то гравітаційне тяжіння матерії зможе зупинити розширення Всесвіту і змусити його стискатися. Така поведінка Всесвіту відповідає першій моделі Фрідмана. Якщо середня щільність менша від критичного значення, тоді гравітаційне тяжіння не зупинить розширення і Всесвіт буде розширюватися вічно - як у другій фридманівській моделі. Нарешті, якщо середня щільність Всесвіту точно дорівнює критичному значенню, розширення Всесвіту буде вічно уповільнюватися, все ближче підходячи до статичного стану, але ніколи не досягаючи його. Цей сценарій відповідає третій моделі Фрідмана.

То яка ж модель вірна? Ми можемо визначити нинішні темпи розширення Всесвіту, якщо виміряємо швидкість віддалення від інших галактик, використовуючи ефект Доплера. Це можна зробити дуже точно. Однак відстані до галактик відомі не дуже добре, оскільки ми можемо вимірювати їх лише побічно. Тому нам відомо лише те, що швидкість розширення Всесвіту становить від 5 до 10% за мільярд років. Ще більш розпливчасті наші знання про нинішню середню щільність Всесвіту. Так, якщо ми складемо маси всіх видимих ​​зірок у нашій та інших галактиках, сума буде меншою за соту частку того, що потрібно для зупинки розширення Всесвіту, навіть при найнижчій оцінці швидкості розширення.

Але це далеко ще не все. Наша та інші галактики повинні містити велику кількість певної «темної матерії», яку ми не можемо спостерігати безпосередньо, але про існування якої ми знаємо завдяки її гравітаційному впливу на орбіти зірок у галактиках. Можливо, найкращим свідченням існування темної матерії є орбіти зірок на периферії спіральних галактик, подібних до Чумацького Шляху. Ці зірки обертаються навколо своїх галактик занадто швидко, щоб їх могло утримувати на орбіті тяжіння лише видимих ​​зірок галактики. Крім того, більшість галактик входять до складу скупчень, і ми можемо аналогічно зробити висновок про присутність темної матерії між галактиками в цих скупченнях за її впливом на рух галактик. Фактично кількість темної матерії у Всесвіті значно перевищує кількість звичайної речовини. Якщо зважити на всю темну матерію, ми отримаємо приблизно десяту частину від тієї маси, яка необхідна для зупинки розширення.

Не можна, однак, виключати існування інших, ще не відомих нам форм матерії, розподілених майже рівномірно всюди у Всесвіті, що могло б підвищити її середню щільність. Наприклад, існують елементарні частинки, які називаються нейтрино, які дуже слабо взаємодіють з речовиною і які надзвичайно важко виявити.

(В одному з нових нейтринних експериментів використовується підземний резервуар, заповнений 50 тисяч тонн води.) Вважається, що нейтрино невагомі і тому не викликають гравітаційного тяжіння.

Проте дослідження кількох останніх роківсвідчать, що нейтрино все ж таки володіє мізерно малою масою, яку раніше не вдавалося зафіксувати. Якщо нейтрино мають масу, вони можуть бути однією з форм темної матерії. Тим не менш, навіть з урахуванням такої темної матерії, у Всесвіті, схоже, набагато менше речовини, ніж необхідно для зупинення її розширення. Донедавна більшість фізиків сходилося на тому, що найближче до реальності друга модель Фрідмана.

Але потім з'явилися нові спостереження. За останні кілька років різні групи дослідників вивчали найдрібнішу брижі того мікрохвильового фону, який виявили Пензіас і Вільсон. Розмір цієї брижів може служити індикатором великомасштабної структури Всесвіту. Її характер, схоже, показує, що Всесвіт все-таки плоский (як у третій моделі Фрідмана)! Але оскільки сумарної кількості звичайної та темної матерії для цього недостатньо, фізики постулювали існування іншої, поки що не виявленої, субстанції – темної енергії.

І начебто для того, щоб ще більше ускладнити проблему, недавні спостереження показали, що розширення Всесвіту не сповільнюється, а прискорюється. Попри всі моделі Фрідмана! Це дуже дивно, оскільки присутність у просторі речовини – високої чи низької щільності – може лише уповільнювати розширення. Адже гравітація завжди діє як сила тяжіння. Прискорення космологічного розширення - це все одно, що бомба, яка збирає, а не розсіює енергію після вибуху. Яка сила відповідальна за розширення космосу, що прискорюється? Ніхто не має надійної відповіді на це питання. Однак, можливо, Ейнштейн все ж таки мав рацію, коли ввів у свої рівняння космологічну постійну (і відповідний їй ефект антигравітації).

З розвитком нових технологій і появою чудових космічних телескопів ми стали раз у раз дізнаватися про Всесвіт дивовижні речі. І ось хороша новина: тепер нам відомо, що Всесвіт продовжить найближчим часом розширюватися з швидкістю, що постійно зростає, а час обіцяє тривати вічно, принаймні для тих, кому вистачить розсудливості не потрапити в чорну дірку. Але що ж було в перші миті? Як починався Всесвіт, і що змусило його розширюватися?

То куди насправді розширюється всесвіт? Та в нікуди. Немає ніякої космічної шафи, наповненої речами. Але щоб зрозуміти це, давайте подивимося, що загальна теорія відносності говорить про простір-час.

У ВТО (як кажуть професіонали), найважливішою властивістю простору (і часу) є дистанція (і часовий інтервал) між двома точками. Насправді дистанція повною мірою визначає простір. Еволюція шкали дистанції визначається кількістю матерії та енергії в просторі, і в міру того, як час іде, шкала збільшується і дистанція між галактиками теж. Однак – і в цьому дивина – це відбувається і без фактичного руху галактик.

Можливо, у цій точці ваша інтуїція дала збій. Але це не завадить нам розібратись у дивностях.

Ми вже сказали про те, що галактики віддаляються від нас. Насправді ні. Просто вченим так простіше пояснити те, що відбувається насправді. Вони дурять вас.

«Але зачекайте!», - скаже найбільш науково підкований із вас. - «Ми ж вимірюємо доплерівське зрушення віддалених галактик». Це так зване «червоне зміщення», про яке ви знаєте, фіксується на Землі, і подібно до сирени швидкої допомоги, що проїжджає, дає нам знати, що рух є. Але це не те, що відбувається у космологічних масштабах. Просто відколи далекі галактики випустили світло, і він дістався нас, шкала простору серйозно змінилася, виросла. Оскільки простір розширився, збільшилася і довжина хвилі фотонів, тож світло віддає червоним.

З такого підходу випливає інше питання: «Чи справді Всесвіт розширюється швидше за швидкість світла?». Абсолютно вірно те, що більшість далеких галактик збільшують свою дистанцію по відношенню до нас швидше за швидкість світла, ну і що? Вони не рухаються швидше за світло (вони взагалі стоять на місці). Більше того, знання цього ніяк не допоможе вам: інформація не передається. Якщо ви відправите пакет з їжею в іншу галактику, швидше ніж зі швидкістю світла, цього не зробити (та й тут, в принципі, ). Швидкість світла залишається універсальним обмежувачем швидкості.

Ми навели найпоширенішу (ну або утвердившуюся у сфері релятивістів) думку з приводу космологічного розширення, але логічним буде закінчити на тому, що ми взагалі не розуміємо. Все описане вище працює чудово, якщо у вас є місце для кроку вперед і розтяжки. Але що сталося на початку таке, чому утворився простір буквально з нічого? На це запитання фізика не має відповіді. І доведеться чекати, доки не з'явиться і не проллє світло на це питання.

Природа темної енергії є предметом запеклих суперечок. Відкритий трохи менш як тридцять років тому, невидимий компонент Всесвіту все ще не отримав єдиного пояснення. Настав час розібратися: чому темна енергія викликає стільки проблем і як вчені намагаються її детектувати?

Форма всесвіту

З гарним ступенем точності наш Всесвіт просторово-однорідний і ізотропний – він не містить «особливих» точок і напрямків, щодо яких його властивості змінюються. Такий простір створити непросто: необхідно підтримувати певну щільність енергії всіх компонентів, що до неї входять.

Вже в 1980-х роках вченим була точно відома так звана критична щільність, що забезпечує просторово-плоський Всесвіт. Але отримані результати вимірювання кількості баріонної речовини в галактичних кластерах разом із щільністю, яку міг забезпечити Великий вибух, швидше за вказували на низьку щільність матерії в просторі.

Також про нестачу матерії говорив вік кульових скупчень – вельми немолодих конгломератів зірок. Виявилося, що такі скупчення народилися як мінімум 10 мільярдів років тому: але при спостережуваній кількості речовини після Великого вибуху розширення Всесвіту мало поступово сповільнюватися і в цілому оцінка її віку була меншою. Наш світ виявлявся молодшим, ніж його складові.

Наднові типу Ia

Остаточно переконати вчених у необхідності пошуку нового джерела енергії у Всесвіті змогли наднові типу Іа – зірки, життєвий цикляких закінчується спалахом, настільки інтенсивним, що його можна спостерігати на Землі.

Дві команди вчених, Supernova Cosmology Project, керівником якого був Сол Перлмуттер, та High-Z Supernova Research Team, очолюваний Браяном Шмідтом, запропонували процедуру використання найпотужніших телескопів у світі для вивчення наднових.

Прорив зробив Марк Філліпс, астроном, що працює в Чилі: він запропонував новий спосіб визначення внутрішньої світності наднових типу Ia, яка безпосередньо пов'язана з відстанню до небесного тіла. З іншого боку, відстань до деяких зірок можна було визначити за допомогою закону Хаббла, що описує зміну довжини хвилі випромінюваних об'єктом фотонів внаслідок розширення Всесвіту.

Виявилося, що наднові в далеких галактиках набагато «блідіші»: їхня світність була значно меншою за передбачену виходячи з відстані, розрахованої за законом Хаббла. Іншими словами, наднові повинні були бути набагато далі: так вчені вперше припустили, що Всесвіт не просто розширюється, а з деяким прискоренням.

Спостереження далеких наднових типу Ia відразу перевернуло уявлення вчених про Всесвіт. Дослідження показали, що близько 70% густини енергії становить новий, невідомий компонент з негативним тиском.

Термін «темна енергія» запропонував пізніше космолог Майкл Тернер, а перед вченими постала нова загадка: пояснити природу її виникнення.

Чи можна пояснити прискорене розширення Всесвіту?

В даний час існують три класи теорій, які претендують на роль темної енергії. Перший варіант постулює наявність енергії у вакууму: по суті це стало поверненням до космологічного постійного, запропонованого Ейнштейном для підтримки статичного Всесвіту. У новому варіанті щільність вакууму однакова у всьому просторі, але не виключається, що вона могла змінюватися з часом.

Другий варіант, отримав назву квінтесенції, запропонований німецьким фізиком Крістофом Веттеріхом, передбачає наявність нового поля - фактично нових частинок, що вносять внесок у загальну щільність Всесвіту. Енергія таких частинок вже не тільки змінюється з часом, а й у просторі: для того, щоб сильні коливання щільності темної енергії були відсутні, частки мають бути досить легкими. В цьому, мабуть, полягає основна проблема квінтесенції: запропоновані варіанти частинок, згідно з основними принципами сучасної фізики, не можуть бути легкими, а навпаки, набувати значної маси, і на даний момент жодних вказівок на цей сценарій не отримано.

До третій варіант відносяться різні теорії модифікованої гравітації, в якій взаємодія між масивними об'єктами не підпорядковується стандартним законам Загальної теоріївідносності (ВТО). Існує безліч модифікацій гравітації, але до теперішнього часу відхилення від ОТО в експериментах не були виявлені.

Темна енергія, незважаючи на величезний внесок у стан Всесвіту, завзято «ховається» від спостерігачів, і вивчаються лише непрямі прояви її властивостей. Серед них основну роль грають баріонні акустичні осциляції, анізотропія реліктового випромінювання та слабке гравітаційне лінзування.

Баріонні акустичні осциляції

Баріонні акустичні осциляції, або, скорочено, БАО - періодичне зміна щільності звичайного, баріонного речовини, що спостерігається, на великих масштабах. У первісній, гарячій космічній плазмі, що складалася з баріонів та фотонів, конкурували два процеси: гравітаційне тяжіння, з одного боку, та відштовхування за рахунок вивільнення енергії при реакціях між речовиною та фотонами – з іншого. Подібне «протистояння» призводило до акустичних коливань, подібно звуковим хвиляму повітрі між областями з різною густиною.

При охолодженні Всесвіту в певний момент відбулася рекомбінація - окремим частинкам стало вигідніше утворювати атоми, а фотони фактично стали "вільними" і відокремилися від речовини. При цьому внаслідок коливань речовина встигла розлетітися на певну відстань, яка називається звуковим горизонтом. Наслідки наявності горизонту нині спостерігаються у розподілі галактик у Всесвіті.

Сам по собі звуковий горизонт – величина, яку передбачають космологічно. Він безпосередньо залежить від параметра Хаббла, що визначає швидкість розширення Всесвіту, який у свою чергу визначається параметрами темної енергії.

Реліктове випромінювання

Мікрохвильове реліктове випромінювання – далекий «відлуння» Великого вибуху, що рівномірно заповнюють Всесвіт фотони з практично однаковою енергією. Нині саме реліктове випромінювання є основним джерелом обмежень різні космологічні моделі.

Однак, зі збільшенням чутливості інструментів було виявлено, що реліктове випромінювання є анізотропним і має неоднорідності – з якихось напрямків приходить дещо більше фотонів, ніж з інших. Така різниця у тому числі також викликана наявністю неоднорідностей у розподілі речовини, і масштаб розподілу гарячих і холодних плям на небі визначається властивостями темної енергії.

Слабке гравітаційне лінзування

Ще один важливий для дослідження темної енергії ефект – гравітаційне темне лінзування – полягає у відхиленні пучків світла в полі речовини. Лінзування одночасно дозволяє вивчати структуру Всесвіту та його геометрію, тобто форму простору-часу.

Існують різні видигравітаційного лінзування, серед яких найбільш зручним для вивчення темної енергії є слабке лінзування за рахунок відхилення світла великомасштабною структурою Всесвіту – це призводить до розмивання зображень далеких галактик.

Темна енергія одночасно впливає як на властивості джерела, наприклад, відстань до нього, так і на властивості спотворює картинку простору. Тому слабке лінзування, з урахуванням астрономічних даних, що постійно оновлюються, є вдвічі важливим способом постановки обмежень на властивості темної енергії.

Темна енергія – як і раніше, в тіні

Підіб'ємо підсумки, що ж вдалося дізнатися фізикам за майже тридцятирічний стаж вивчення чорної енергії?

З великою точністю відомо, що темна енергія має негативний тиск: більше того, рівняння залежності тиску від щільності енергії визначено з великою достовірністю, і такими властивостями не має жодна інша відома нам середовище.

Темна енергія просторово-однорідна, а її внесок у густину енергії став домінуючим відносно недавно – близько п'яти мільярдів років тому; при цьому вона впливає одночасно і на відстані між об'єктами та на саму структуру Всесвіту.

Різні космологічні експерименти дозволяють вивчати темну енергію, але в даний час помилки вимірювання надто великі, щоб робити точні передбачення. Поки що вчені ще явно далекі від відповіді на питання про природу темної енергії, яка багато мільярдів років таємно керує пристроєм Всесвіту.