Вселенная.Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

Если бы Вселенная была совершен до пуста (а это, к счастью для нас, совсем не так), то она бы расширялась вечно с абсолютно неограниченной скоростью. Не было бы материи, которая бы ее затормозила. Если бы у нас была настолько пустая вселенная, а мы поместили бы в нее немного вещества, то расширение бы немного замедлилось. Не забывайте: материя влияет на пространство, так что если бы мы поместили в эту вселенную целую кучу вещества, то она бы впоследствии схлопнулась.

Линия, отделяющая вселенную, которой суждено расширяться бесконечно, от вселенной, которой суждено схлопнуться, называется критической плотностью вселенной, и она гораздо ниже, чем вы думаете.

Обычно представление о том, насколько плотно космос набит материей, сильно преувеличено, поэтому, вероятно, нужно устроить проверку реальностью, и начнем мы с того, что происходит у нас по соседству. Вспомните сцену из «Звездных войн», когда Хан Соло на «Тысячелетнем Соколе» пробивается сквозь пояс астероидов. Тогда звездолет едва не развалился. Как вам, наверное, известно, у нашей Солнечной системы тоже есть пояс астероидов — между орбитами Марса и Юпитера (соответственно четвертой и пятой планетами, считая от Солнца). Что же произойдет, если вы преисполнитесь неблагоразумной отваги и рванете на своем звездолете к Юпитеру?

Ничего особенного.

Хотя астрономы не уверены, сколько в точности там астероидов, разумная оценка — 10 миллионов — показывает, что среднее расстояние между этими каменюками — больше полутора миллионов километров. Если вы не представляете себе, сколько это, поясним: полтора миллиона километров — это примерно в четыре раза больше, чем до Луны, а настолько далеко забирались пока едва ли пара десятков человек.

Если мы покинем Солнечную систему и двинемся к другим звездам, окажется, что от ближайшей звезды Проксима Центавра нас отделяет расстояние в четыре световых года, а по пути все довольно пусто. В среднем каждый кубический сантиметр (средний размер игрального кубика) межзвездного пространства содержит всего один атом водорода. Для сравнения — это примерно в 1016 раз менее плотно, чем земной воздух, и примерно в миллион раз менее плотно, чем самый-самый чистый искусственный вакуум, которого мы способны добиться в лаборатории.

Пространство между галактиками, даже если бы Вселенная обладала критической плотностью, еще в миллион раз менее плотно. Это значит, что на каждый кубометр пространства (это примерно объем вашего холодильника) приходится всего пять атомов водорода.

Вы, конечно, подозревали, что в космическом пространстве пусто. Потому-то оно и называется пространством. В некотором смысле.

Поскольку астрофизики не любят, когда у них в распоряжении остается так мало атомов, нас интересует, в сущности, только то, обладает Вселенная плотностью меньше критической или больше, поэтому мы определяем соотношение. Это соотношение сравнивает количество материи (любой материи) во Вселенной с количеством материи, которое мы ожидали бы при критической плотности. Это соотношение мы называем:

Ωм .

Если вы хотите рассказать маме, чему вас научила эта книга88, а картинку по телефону не покажешь или просто бумажки под рукой нет, имейте в виду, что это называется «омега материи».

* «Мам, привет, это я. Я тут читаю одну книжку про физику, так там говорится, как подсчитать плотность нашей Вселенной относительно критической».

А сейчас мы испортим весь сюрприз и скажем, что по самым точным оценкам Ωм составляет 28% (плюс-минус, крохотулечная погрешность) материи — именно такая доля вещества во Вселенной заставит ее схлопнуться. По мере расширения Вселенной материя в ней становится все более диффузной, так что с течением времени Вселенная будет казаться все более пустой. А значит, плотность Вселенной будет уменьшаться (пространства становится больше, а новой материи не вырабатывается), поэтому соотношение тоже будет уменьшаться,

Это очень важное число, особенно для чокнутых астрономов, и за последние два десятка лет основные усилия классической космологии были направлены на то, чтобы получить это число и еще несколько других89, из которых можно вывести возраст, судьбу, будущее и прошлое Вселенной.

* Это непревзойденно удачная попытка астрономов получить точные числа.

Но это число особенно важно, поскольку оно говорит нам, собирается ли Вселенная снова впасть в коллапс или будет расширяться бесконечно. Чтобы вычислить это соотношение, нам нужно измерить, сколько вещества нас окружает, и поэтому главный вопрос звучит так: как нам взвесить Вселенную?

В наблюдаемой Вселенной свыше 100 миллиардов галактик, и в них сосредоточена большая часть массы. Если мы сообразим, как взвесить галактики или скопления галактик, то просто сложим массу в пределах определенного участка пространства и вычислим таким образом плотность Вселенной.

Незачем пытаться взвесить всю Вселенную — достаточно найти способ точно вычислять вес отдельных галактик, и дело в шляпе. Как вам такая мысль: посчитать, сколько в галактике звезд, и предположить, что все они примерно похожи на Солнце. В конце концов, когда смотришь на ночное небо, все, что видишь,— это звездный свет или, как в случае Луны и планет, отраженный звездный свет нашего же Солнца. Более того, в нашей Солнечной системе 99,99% массы — именно звездная (масса Солнца), поэтому, наверное, предположение, что (практически) вся масса галактик сосредоточена в звездах, не такое уж и безумное. Если мы переработаем цифры в нашем навороченном компьютере, то получим универсальную плотность — ΩЗВЕЗД — всего в 0,2%.

Это означает, что галактики, как и автоботы с децептиконами, не совсем то, чем кажутся. В большинстве галактик солидную долю «вещества» составляет огромное количество газа, который испускает рентгеновское излучение, а не видимый свет. Так что если вы когда-нибудь приведете любимую галактику в рентгенкабинет, доктор сразу скажет вам, сколько в ней газа, измерив рентгеновское излучение. Если вы включите в свои расчеты ту массу, которая найдется благодаря этому эффекту, и приплюсуете ее к массе звезд, то обнаружите, что Ωм составляет 5%, то есть Вселенная по-прежнему, прямо скажем, пуста.

Эти пять процентов — своего рода сюрприз, причем неприятный. Они отражают количество массы, которое содержится в обычной материи — физики любят называть ее «барионы», а это, как вы помните* , всего лишь протоны и нейтроны.

*А вы, конечно, помните.

А значит, все элементы состоят из барионов, что, в свою очередь, значит, что все атомы и молекулы стоят из барионов, а из этого следует, что мы с вами, Солнце, Земля, звезды, газ, пыль и все, что вы видели или с чем имели дело, состоит из барионов. Есть уйма разных оценок, которые можно проделать, чтобы подсчитать количество барионов во Вселенной. По всем получается, что ΩВ, то есть доля критической плотности в барионах, составляет всего около 5%.

Все было бы прекрасно, если бы не любопытное наблюдение, которое сделала в 1970 году Вера Рубин с коллегами. Она отметила, что звезды вращаются вокруг галактик и вся эта конструкция держится на гравитации. Если в галактике недостает массы, звезды от нее разлетятся. Именно это происходит, если, разухарившись, начинаешь вертеть вокруг себя раскидайчик и тут кто-то злокозненный перерезает шнурок. Раскидайчик больше не крутится по «орбите», а отлетает в сторону, вероятно, подбив кому-нибудь злокозненному глаз90.

* М-да. Опасные шутки с раскндайчиком, рентген для галактики... Эта глава сделает вас завсегдатаем травматологического пункта.

Суть вот в чем: мы измерим, с какой скоростью двигаются звезды вокруг центра галактики, если вычислим доплеровский сдвиг, а затем уже на основании этих данных оценим общую массу этой галактики. И знаете, что оказалось? Оказалось, что галактики примерно в шесть раз массивнее, чем мы думали! Иначе говоря, Ωм составляет около 28%, но только в том случае, если мы предположим, что большая часть массы, около 85%, состоит из некоей загадочной «темной материи», которую нам не видно.

Возможно, в наших выкладках есть какая-то ошибка, а может быть, мы что-то неверно измерили. Бритва Оккама велит нам считать самое простое решение самым лучшим, а гораздо проще сказать, что мы где-то ошиблись, чем сказать, что мы почему-то не видим 85% массы Вселенной! Нужны дальнейшие изыскания.

В последние годы симпатичные умницы-астрономы стали для измерения масс галактик и скоплений галактик пользоваться техникой, известной как «гравитационные линзы». Эта техника опирается на то, что массивные объекты вроде галактик немного искривляют пространство, а лучи света следуют кривизне пространства. Например, если галактика, где находится Тентакулюс, расположена между Землей и другой, более далекой галактикой, изображение задней галактики будет искажено массой галактики Тентакулюса. Чем больше масса, тем сильнее искажение.