2 месяца назад
Нету коментариев

Как мы уже отметили во введении, изучение внега­лактического фонового излучения стало возможным только в последние десятилетия в связи с развитием ра­диоастрономии и методов космической техники, но инте­рес к этому фоновому излучению возник более 250 лет назад. Именно в тот период получило бурное развитие телескопостроение и повысился интерес к астрономиче­ским исследованиям. Наиболее простая модель Вселен­ной, которую можно было бы себе представить из ана­лиза наблюдательного материала, накопившегося к тому времени, соответствовала модели статической, бесконеч­ной Вселенной, более или менее однородно заполненной звездами. Статичность Вселенной была обусловлена на­блюдаемым постоянством положения звезд относитель­но друг друга. Предположение о бесконечности Вселен­ной было скорее связано с философскими требованиями бесконечности и неисчерпаемости окружающего нас ми­ра. Но предположение о том, что наблюдаемая статиче­ская Вселенная бесконечна, вызывало странный и на первый взгляд простой вопрос. Почему небо ночью тем­ное?

Оказывается, ответ на этот вопрос не столь тривиа­лен, и вплоть до XX в. на него не могли найти удовлетворительного ответа. Действительно, представьте себя в лесу, пускай даже не в дремучем, но достаточно боль­шом. Тогда в каком бы направлении мы ни посмотрели, в конце концовнаткнемся на ствол дерева. Для нас лес стоял бы сплошной стеной. Пусть это был бы березовый лес с белыми гладкоствольными березами, с одинаковой яркостью единицы поверхности, — тогда эта стена леса представлялась бы нам сплошной белой стеной. А те­перь давайте представим себе бесконечную статическую Вселенную, в которой звезды и галактики находятся в постоянном (статическом) положении друг к другу. Луч зрения наблюдателя, находящегося на Земле, в любом направлении в конце концов наткнется на поверхность звезды, поэтому вся небесная сфера должна перекры­ваться звездными дисками (рис. 1). На этом рисунке справа внизу схематично показан участок неба, который видел бы наблюдатель. Заштрихованные круги — диски звезд. Так как яркость звездной поверхности не зависит от расстояния до нее, а определяется свойствами са­мой звезды, то во всех направлениях небо должно быть таким же ярким, как яркость поверхности средней звез­ды. Так как Солнце — типичная средняя звезда, то все небо должно быть и днем и ночью таким же ярким, как Солнце. В этом состоит фотометрический парадокс Оль­берса, названный в честь немецкого астронома XVIII в. Генриха Ольберса, который первый четко сформулировал его. Несмотря на то что этот парадокс был выведен для фонового излучения звезд в видимом свете, он ха­рактерен и для других диапазонов длин волн. Наличие парадокса обнаружило несовершенство гипотезы о ста­тической бесконечной Вселенной. Сам парадокс не дает ответа на то, что именно неверно?

Вид неба в бесконечной статической Вселенной

Вид неба в бесконечной статической Вселенной

Для преодоления трудностей, связанных с наличием парадокса Ольберса, делались попытки в рамках стати­ческой бесконечной Вселенной учесть неоднородность распределения звезд и галактик. Строились так назы­ваемые иерархические модели, в которых существовала иерархия масштабов во Вселенной. Причем плотность звезд и галактик в каждом меньшем масштабе была больше, чем в последующем, более крупном масштабе. Оказывается, при определенных предположениях о раз­мерах и плотности в каждом уровне такой иерархиче­ской структуры удавалось избежать трудностей, связан­ных с наличием фотометрического парадокса. Но более глубокий анализ показывал, что такая иерархическая структура должна разрушаться из-за гравитационного взаимодействия, т. е. иерархическая модель оказалась нестатической.

Из приведенного примера ясно, что уже сравнитель­но простой анализ свойств фонового излучения звезд (просто видимая яркость ночного неба) приводит нас к далеко идущим выводам относительно структуры всей Вселенной. Мы видим, что наблюдения фонового излу­чения подводят нас к таким фундаментальным поняти­ям, как конечность или бесконечность Вселенной, ее ста­тичность или нестационарность. По-видимому, справед­ливо и обратное. Именно наблюдения каких-либо фун­даментальных свойств Вселенной позволяют нам сде­лать суждения о фоновых излучениях. Как раз на пос­ледней возможности мы и остановимся.

Парадокс Ольберса, или фотометрический па­радокс, был разрешен благодаря открытию, сде­ланному в 20-х годах на­шего столетия американ­ским астрономом Э. Хаб­блом, которое привело к представлению о том, что Вселенная не статична, а однородно расширяется. Исходя из измерений рас­стояний до ближайших галактик, Хаббл устано­вил, что все галактики разбегаются друг от друга, и скорость разбегания V прямопропорциональна рас­стоянию г до галактик (V = Н0r). Этот закон называют законом Хаббла; Н0 = 50 км/с • Мпс = 2 • 1010(лет)-1. На рис. 2 графически представлена наблюдаемая карти­на разбегания галактик. Слева по оси ординат — ско­рость разбегания, справа — красное смещение r = дельта лямбда/лямбда, по оси абсцисс отложено расстояние в миллионах све­товых лет. Таким образом, вместо статической картины Вселенной, в которой все объекты как бы застыли на своих местах, мы видим, что все объекты разбегаются друг от друга и расстояние между ними непрерывно уве­личивается.

Наблюдаемая Хабблом зависимость между скоростью галактик и расстоянием до них

Наблюдаемая Хабблом зависимость между скоростью галактик и расстоянием до них

К чему же приводит наблюдаемый факт разбегания галактик? Оказывается, скорость разбегания сильно влияет на свет, идущий от галактики к Земле. Действи­тельно, каждый последующий фотон (квант света), из­лученный звездой в галактике, должен дольше двигать­ся к Земле, чем квант, испущенный в предыдущий мо­мент времени. Это связано с тем, что в каждый после­дующий момент времени галактика находится дальше от Земли. Так что за один и тот же промежуток време­ни наблюдатель на Земле воспримет меньшее число квантов, чем в случае, если бы галактика все время на­ходилась на одном месте (случай статической Вселен­ной).

Кроме этого эффекта уменьшения числа квантов, приходящих на Землю в единицу времени, излучаемые кванты уменьшают свою частоту. Здесь можно приве­сти простой пример с удаляющимся от нас поездом, ко­торый подает сигнал. Сигнал, воспринимаемый нами, будет на более низких частотах, чем тот, который про­изводится самим поездом. Аналогичное происходит со светом, излучаемым звездами в удаляющихся от нас га­лактиках. Частота кванта, а следовательно, и пропор­циональная ей энергия кванта уменьшаются. Чем даль­ше находится галактика, тем больше ее скорость удале­ния от нас, тем сильнее уменьшается энергия излучен­ных ею квантов. На рис. 3 показаны случаи, когда из­лучающая звезда а) покоится по отношению к наблю­дателю, б) удаляется от него и в) приближается к нему.

Картина воспринимаемого наблюдателем излучения от звезд

Картина воспринимаемого наблюдателем излучения от звезд

Вместе эти два эффекта ослабляют свет звезд дале­ких галактик. Это ослабление становится особенно силь­ным, когда скорость удаления галактик близка к скоро­сти света. В пределе, когда скорость удаления галакти­ки стремится к скорости света, энергия воспринимаемых на Земле квантов стремится к нулю, а время их прибы­тия — к бесконечности.

Эти два эффекта приводят к тому, что плотность энергии света звезд не достигает столь большого значе­ния и, следовательно, небо не такое яркое, как Солн­це. Таким образом, наблюдаемая нестатичность Вселен­ной, проявляющаяся в наблюдаемом разбегании галак­тик, позволяет естественным образом объяснить пара­докс Ольберса. Аналогичные рассуждения применимы и для других диапазонов длин волн.

Необходимо отметить, что по знаку эффекта Доплера, т.е. по тому, увеличивается или уменьшается частота воспринимаемого излучения от звезды по сравнению с частотой фотона, воспринимаемого от покоящегося ис­точника, мы можем судить, приближается к нам или уда­ляется от нас источник. Именно на этом и была основа­на теоретическая интерпретация наблюдений Хаббла, который сравнивал эталонные длины волн в спектрах соседних галактик с теми, которые наблюдаются от уда­ленных галактик. Это сравнение показывало, что все длины волн смещаются в красную длинноволновую об­ласть спектра (частоты смещаются в низкочастотную область спектра), а следовательно, галактики удаляют­ся от нас. По величине этого красного смещения оцени­валась скорость удаления (закон Хаббла).

Закон Хаббла справедлив по крайней мере для объ­ектов, удаленных от нас на такие расстояния, что луч света идет от них до Земли около 3 млрд. лет. Наблю­даемый в настоящее время свет от этих объектов ха­рактеризует те условия, которые существовали в этих объектах 3 млрд. лет назад. Возможно, сейчас эти объ­екты уже не существуют. По-видимому, анализ наблю­даемых свойств и еще более удаленных объектов поз­волит нам сделать выводы о физических условиях, существовавших во Вселенной в тот период. Эти выводы представляют большой интерес, поскольку простая экст­раполяция наблюдаемого расширения в прошлое при­водит к тому, что в те периоды Вселенная была более плотной и физические условия в ней были другими, чем наблюдаемые сейчас в окрестностях нашей Галак­тики.

Закон расширения Хаббла выполняется с высокой степенью точности во всех направлениях, что говорит о высокой степени изотропии расширения. Более того, рас­ширение является однородным, т. е. в каком бы месте Вселенной ни находился наблюдатель, расширение для него будет идти по тому же закону Хаббла, с тем же зна­чением Н0. Правда, предположение об однородности мы не можем проверить в масштабах Вселенной. Чтобы по­яснить сказанное, рассмотрим простой пример.

Нанесем на поверхность шара пятнышки, которые будут являться аналогами галактик. Наблюдаемое рас­ширение можно имитировать, надувая шар. В процессе увеличения объема шара его поверхность будет увели­чиваться, расстояние между пятнышками будет расти. «Наблюдатель», находящийся в одном из этих пятны­шек-галактик, будет видеть, как все окружающие его галактики удаляются. Более того, чем дальше находит­ся галактика, тем с большей скоростью она удаляется. Эта модель не только качественно показывает картину разбегания галактик, но и количественно описывает это разбегание тем же законом Хаббла. Хотя наблюдатель видит только то, как все галактики разбегаются от не­го, он не может сделать вывода, что его галактика яв­ляется выделенным местом в его «вселенной». Как вид­но из модели, любой другой наблюдатель в другой га­лактике будет видеть ту же картину разбегания, т. е. наша двумерная модель согласуется с предположением об однородности расширения.

Для воздушного шара характерным масштабом яв­ляется радиус шара. Увеличение радиуса шара при его надувании приводит к увеличению расстояний между пятнышками и соответствующему закону разбегания пятнышек. Нашу Вселенную можно представить некото­рой трехмерной поверхностью в четырехмерном прост­ранстве, которая может характеризоваться радиусом Вселенной. Увеличение радиуса Вселенной обусловли­вает наблюдаемый закон разбегания галактик. О том, к каким следствиям приводит наблюдаемое расширение Вселенной, мы поговорим ниже.

Хотелось бы сказать несколько слов о постоянной Хаббла. По самым последним данным можно принять для постоянной Хаббла значение Н0 = 50 км/с • Мпс. Физический смысл постоянной Хаббла становится очевидным, если обратиться к прошлому эволюции Все­ленной. Если каждая галактика всегда движется с той скоростью, которая у нее наблюдается, мы получим, что около 10 млрд. лет назад (это время равно обратной величине постоянной Хаббла t0 = 1/Н0) все галактики находились близко друг к другу. Дальше этого момен­та мы уже не можем говорить о самих галактиках, так как их не существовало. Следует отметить, что по сов­ременным данным возраст многих звезд, так называе­мых старых звезд сферической составляющей нашей Га­лактики, примерно 10 млрд. лет, т. е. они образовались в период, когда галактики находились близко друг к другу. Эти звезды должны нести информацию о процес­сах и условиях в галактиках в тот период.

Следует отметить, что самым трудным при оценке точного значения постоянной Хаббла является опреде­ление расстояний до галактик. Методы определения рас­стояний все время совершенствуются, поэтому значение постоянной Хаббла постоянно уточнялось. Начиная с первых работ Хаббла и до настоящего момента значе­ние Н0 изменилось от 500 до 50 км/с • Мпс. Первые оценки Н0 находились в противоречии с возрастом Зем­ли, который по геологическим данным оценивается . в 5 млрд. лет, и в свое время вызвали сенсацию.

comments powered by HyperComments