4 роки тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

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.