Наш дім - Всесвіт

Б. І. Лучков, МИФИ, м. Москва

Ось Будинок, який збудував Джек.

Англ. народна пісенька. Пер. С. Маршака

Як точно написати свою адресу?

Сначало просто: квартира, будинок, вулиця, місто, країна. Потім, трохи подумавши: планета Земля, зірка Сонце, галактика Чумацький Шлях. Далі (в міру укрупнення масштабу і фантазії): Місцеве скупчення галактик, Сверхскопленіе в сузір'ї Діва, Всесвіт (вона ж Метагалактика). Все. Тільки одне зауваження: написавши слово «Всесвіт» з великої літери, ми допустили існування безлічі інших всесвітів, що становлять щось ще більш велике, чого поки що немає назви. Однак ми ніколи не зможемо увійти в контакт з ними через кінцевої швидкості поширення сигналів і обмеженого віку нашого Всесвіту. Включати їх на адресу абсолютно марно.

Можна сподіватися, що лист з адресою дійде за призначенням, пройшовши всі зазначені пункти.

Видима Всесвіт

Кожен, звичайно, добре знає свій будинок, вулицю, місто, країну. Напевно, Земля і Сонце теж досить знайомі. А от уявлення про Галактиці (Чумацькому Шляху), можливо, потребують уточнення. Згадана вперше англійським астрономом В. Гершелем, що створював у XVIII ст. найбільші у світі телескопи, Галактика являє собою сукупність зірок, планетних систем, газу та пилу, утримуваних разом гравітаційними силами. Чумацький Шлях - велика галактика (1012 зірок) з чотирма спіральними рукавами, що виходять з центральної області, де знаходиться ядро Галактики, об'єкт не зовсім зрозумілою природи, можливо, дуже масивна чорна діра. Більшість зірок зосереджено в тонкому диску (відношення радіус/товщина = 100: 1), помітно стовщеним в центрі, -- молода частина галактичного населення, що бере участь у загальному обертанні періодом 250 млн років. Стара популяція - маломасивні зірки, кульові зоряні скупчення - заповнює більш велику область - гало Галактики, за формою нагадує сплюснений еліпсоїд з помітною концентрацією об'єктів до центру. На рис. 1 Галактика показана так, як вона може бути видно з великої відстані в телескоп іншої розумної цивілізації.

Наше місце в Галактиці аж ніяк не центральне (що треба визнати великою удачею). Сонячна система знаходиться приблизно на половині відстані від центру до краю диска (точний радіус дорівнює 8 кпк) і майже в середині диска по висоті. Удача, головним чином, в тому, що тут щільність зірок мала, їх зіткнення рідкісні, а поля випромінювання (від радіохвиль до жорсткого рентгена) не дуже небезпечні. Життя і виникає там, де їй менше загроз: навряд чи пристосована для проживання центральна частина Галактики, де багато яскравих змінних зір і таких монстрів, як нейтронні зірки і чорні дірки. Сонце - невелика, спокійна, достатньо щедра на світло і тепло зірка, дуже зручна для життя поруч з нею, у чому нам теж сильно пощастило.

Галактики часто під дією гравітаційних сил утворюють різні за формою скупчення (кластери галактик). Чумацький Шлях разом з двадцятьма галактиками, найближчі з яких - його сателіти (Велике і Мале Магелланові Хмари та ряд інших карликових галактик), утворюють Місцевий кластер. Він, у свою чергу, входить до складу великого Сверхскопленія, центром якого є активна галактика Діва-А і яке налічує більше тисячі галактик, розташованих в радіусі 30 Мпк. Місцевий кластер перебуває десь на краю Сверхскопленія.

Більше великих одиниць, ніж сверхскопленія, не виявлено. Мабуть, на цьому ієрархія структур закінчується, так що Всесвіт, на перший погляд, складається з скупчень і сверхскопленій галактик і порожнього простору між ними. Что-то зразок великого водоймища, в якому зважені й неспішно рухаються «грудки» речовини, різні за формою і розмірами. Цей космічний водойму, додамо, не так вже сильно багатий речовиною - відстані між «грудками» багато більше їх власних розмірів.

Така картина, що постала в середині XX ст., здавалася природною і цілком узгоджується з поданням про нашого Всесвіту, що з'явилася приблизно 15 млрд років тому. Вона однорідна і ізотропна, рівномірно розширюється: відстані між скупченнями ростуть, в її великому масштабі діє тільки одна сила тяжіння, яка змушує речовина зосередилася в «грудки» - галактики і їх скупчення. Однак точні спостереження показали, що скупчення галактик розподілені в просторі далеко не рівномірно.

Комірчаста структура Всесвіту

Рис. 1. Вид галактики Чумацький Шлях збоку: видно дискова (молода) і квазісферіческая (стара) популяції зірок

Прогрес наглядових коштів астрономії відбувається безперервно. Зростають розміри телескопів (вже досягли 15 м в діаметрі дзеркала). Удосконалюються приймачі світла - тепер це не фотопластинки, а ПЗЗ-матриці, що володіють великими чутливістю і точністю зображення. Поліпшується роздільна здатність спектрометрів - головних постачальників відомостей про досліджуваних об'єктах. Численні досягнення техніки проведення спостережень. Комп'ютерна революція здійснила переворот в засобах збору, обробки та зберігання інформації. До цього треба додати, що центр інтересу виразно змістився в область позагалактичне астрономії, до вивчення все більш далеких світів.

Аналіз величезного масиву даних привів до уявлення про те, що Всесвіт заповнена не рівномірно «сумішшю» скупчень галактик, а їх «піною», щільність якої в окремих місцях дуже велика, а в інших - практично нульова. Іншими словами, Всесвіт складається з окремих комірок розміром 50-150 Мпк, у місцях перетину стінок яких (ребрах) галактики розселені дуже щільно, а в центральних областях майже відсутні (ці клітинки називають увійдемо - від англійської void - позбавлений, порожній). Ніякими статистичними флуктуаціями ячеистая структура не може бути пояснена. Вона - реальний факт, який відображає умови виникнення первинних неоднорідностей речовини на ранній стадії Метагалактика. Таким чином, спостереження відкидають старі моделі і стимулюють пошуки нових, в рамках яких ячеистая структура Всесвіту була б так само природна, як куляста форма небесних тіл у ньютонівської теорії тяжіння.

Нестаціонарна космологія

Всі спроби від Ньютона до Ейнштейна створити теорію стаціонарного світу, як відомо, не дали результату. Світ вперто не хотів бути стійким і незмінним. Найважливіші свідчення цього, отримані зі спостережень, - разбегания галактик (визначається по червоному зсуву ліній у їхніх спектрах) і теплове реліктове випромінювання температурою Т = 2,7 К, реєстроване як ізотропної радіофон. Взаємне розбігання галактик - прямий результат утворення Всесвіту у Великому Вибуху (Big Bang), в якому вона виникла 15 млрд років тому, як вважають, зі стану з нескінченною щільністю. Реліктове випромінювання - це остигнуло в результаті розширення теплове поле Вибуху, температура якого в початковий момент була також нескінченною. Нестаціонарна космологія, піонерами якої були російські фізики Олександр Фрідман та Георгій Гамов, грунтується на постулаті про однорідному і ізотропному розподіл речовини. У самому простому поданні Всесвіт, виникнувши з точкового сингулярності, в усі епохи представляла собою розширюється шар речовини, склад якої змінювався в Відповідно до зменшується температурою випромінювання, що знаходиться в термодинамічній рівновазі з речовиною.

А. Фрідман першим знайшов три можливих варіанти нестаціонарної космології. У першому (модель відкритої Всесвіту) розширення продовжується необмежено довго, що викликано перевищенням енергії розльоту речовини над енергією його взаємного тяжіння. Другий (модель плоскої Всесвіту) представляє той рідкісний випадок, коли зазначені види енергій у точності збігаються. Тоді розліт речовини буде також продовжуватися, з тим лише відмінністю, що його швидкість, зменшуючись, прагне до нулю. Третій (модель замкнутої Всесвіту) дає кардинально нове рішення: розширення зупиниться на певному граничному радіусі, після чого енергія сил тяжіння, що перевищує енергію кінетичного розльоту, змусить речовина стискатися (галактики почнуть зближуватися, буде спостерігатися синє зміщення ліній) аж до повернення у вихідну сингулярність.

Г. Гамов доповнив фрідмановскіе моделі урахуванням первинного нагріву речовини, яка під всіх варіантах має певну температурної залежністю. Його модель назвали моделлю Гарячої Всесвіту, що отримала вагоме підтвердження відкриттям теплового реліктового фону. Випромінювання домінувало на початкових етапах життя Всесвіту, визначаючи її складу. Висока температура перших трьох хвилин Великого Вибуху сприяла протікання термоядерних реакцій синтезу, в ході яких з первинної суміші протонів і нейтронів утворилися ядра дейтерію (важкого водню), гелію і, в малій кількості, літію. До більш тяжких

Виникнення структури

Коли випромінювання домінує, речовина являє собою плазму, що складається з протон-антипротонному пар в першу мікросекунди, електрон-позитронного пар через секунду і з електронів і протонів (з домішкою дейтронів і ядер гелію) в протягом мільйона років. Випромінювання, активно взаємодіє з зарядженими частинками, веде себе як в'язка середовище, в якому гасяться всі руху частинок, в тому числі викликані взаємним тяжінням. Структурних утворень у плазмі не виникає.

Але ось пройшов мільйон років і випромінювання охололо до 4000 К, що нижче потенціалу іонізації водню. Ніщо не заважає тепер протонам і електронам об'єднуватися, утворюючи нейтральний газ (рекомбінація), до якого остигнуло випромінювання «втрачає будь-який інтерес », проходячи крізь нього без помітного взаємодії. Ось тут-то гравітація і нагадує про себе, змушуючи газ стискуватися. Гравітаційна нестійкість речовини - наслідок дії однієї тільки сили тяжіння -- призводить до формування всіх видимих структур: від астероїдів до сверхскопленій галактик.

З чого починався цей процес в спочатку однорідному газі? Які структури виникли першими? Як вони розвивалися і в що перейшли за мільярди років? Прямих відповідей на ці питання теорія поки не дає. У відповідності з рядом запропонованих моделей зростання первинних структур був обумовлений гравітаційної нестійкістю, при цьому «центрами конденсації» речовини служили випадкові ущільнення (флуктуації) середовища. Раз виникнувши, вони продовжували зростати за рахунок нових порцій притягає речовини, стаючи великими газовими хмарами. При цьому були можливі флуктуації двох типів: ізотермічні і адіабатичні. Перші, торкаються тільки газ, повинні були породжувати хмари помірних розмірів, порівнянні з спостерігаються зараз кульовими зоряними скупченнями. Щоб утворити структури типу галактик, таким хмар треба укрупнюються, з'єднуючись при зіткненнях. Як це відбувалося, не дуже зрозуміло.

Другий тип флуктуацій міг відбуватися одночасно в газі і випромінюванні і повинен був призводити до появи хмар гігантських розмірів і маси. Стикаючись, вони стискали газ у тонких шарах контакту, образно званих млинцями, де і виникали умови для утворення майбутніх структур. Модель млинців розвивала група академіка Я. Б. Зельдовича в 70-х рр.. Відкриття комірчастої структури Всесвіту в багатьох рисах підтверджує цю модель: стінки комірок - це місця первинних млинців, ребра осередків - їх перетину, а увійшовши - межблінное простір, де не було необхідних умов зростання структур. Звичайно, Обробка моделі досить умовні.

Швидше за все, природа використовувала флуктуації обох типів, створюючи різномасштабні структури. Але навіть якісне збіг теорії і спостережень вселяє впевненість в те, що ячеистая структура Всесвіту - не тільки наглядова, але й цілком зрозумілий пізнавальний факт.

Проблема прихованої маси

Цю і без того непросту картину Всесвіту ще більше ускладнили дві «гарячі» проблеми. Перша, яку називають проблемою прихованої маси (або темної матерії), займає вчених вже понад 30 років. Суть її полягає в тому, що не всі речовина під Всесвіту укладено в зірках, галактиках і їх скупчення, тобто в об'єктах що світяться, і тому легко спостережуваних. Набагато бо1льшая маса (за різними оцінками, від 5 до 10 разів) виявляється невидимою. Речовина-неведимка НЕ розгледіти в телескопи, воно не «засвічує» себе в різних довжинах хвиль, але досить надійно виявляється через гравітаційне взаємодія з навколишнім звичайним речовиною, впливаючи на його рух. Спостереження показали, що прихована маса існує практично у всіх підструктура - галактиках, скупченнях і сверхскопленіях.

Хто ховається за маскою темної матерії, до цих пір не відомо. Вона може бути як звичайним речовиною, але знаходяться в об'єктах дуже слабкою світності (маломасивні зірки в коронах галактик, нейтронні зірки, холодні газові хмари), так і абсолютно новим видом матерії, що не беруть участь ні в яких взаємодій, крім гравітаційної. Кандидатів сучасна фізика підкидає досить багато: масивні нейтрино, нові частки та інші дивини, що вийшли з-під пера фізиків-теоретиків. Розкриття таємниці невидимок, - Мабуть, один з найбільш захоплюючих завдань сучасної фізики і астрофізики.

Однак, Хто б не була прихована маса, цілком зрозуміло, що її вплив на структуру і динаміку Всесвіту надзвичайно велике. Адже саме гравітація визначає обличчя світу, його сьогоднішня поведінка і майбутнє пристрій. Вплив темної матерії, в 10 разів сильніше, ніж всіх видимих галактик і скупчень, необхідно точно знати і враховувати в космологічних моделях.

Інфляційна ера

Друга проблема - короткий, але надзвичайно важливий етап життя Всесвіту, який отримав назва інфляційної ери. Він самий початковий і настільки швидкоплинний - всього 10-32 с (!), - Що, здавалося б, міг пройти непоміченим. Як би не так. В цей час тільки що виникла Всесвіт - крихітний бульбашка розміром менше атома - Стрімко роздувалася (inflation і є роздування), виростаючи до астрономічних розмірів.

Необхідність введення інфляційної ери виникла у космологів тоді, коли вони усвідомили неможливість пояснити деякі парадоксальні властивості реліктового випромінювання, наприклад, однакову температуру далеких один від одного і тому причинно не пов'язаних частин Всесвіту (відстань між якими більше шляху, прохідного світлом за час життя Всесвіту). Розгадка проста: на початку інфляційної ери вони-таки були причинно пов'язаними і могли обмінюватися сигналами, зрівнюючи свою температуру, а розійшлися так далеко в результаті стрімкого роздування.

Інфляційна ера - справжній Клондайк сучасної астрофізики. Саме в цей крихітний проміжок часу виникла вся маса Всесвіту - як піна на нескінченно глибокої потенційної енергії вакууму, виділилася величезна енергія, нагрівшись речовина до високої температури (яка зробила Всесвіт гарячої), і відбулися розпади важких частинок, які створили надлишок речовини над антиречовиною (протонів, нейтронів і електронів над антипротона, Антинейтрон і позитрона), в внаслідок чого наш Всесвіт і складається тільки з речовини (після того як анігілювати - взаємно знищені - рівні кількості частинок і античастинок). Зрозумілий той величезний інтерес, який виявляють до цієї «золотої жили» фізики-теоретики. Треба відзначити також, що інфляційна ера - найближча до моменту Великого Вибуху. Хто знає, які ще відкриття і потрясіння чекають допитливих космоархеологов в цій "долині царів».

Вибір Всесвіту

Варіантів космологічних моделей багато, а Всесвіт один. Значить, треба відібрати той єдиний варіант, який був реалізований, і нарешті зрозуміти, в якому Будинку ми живемо. Майже все ХХ ст. пройшов під прапором цієї великої завдання - у пошуках тестів вибору правильної моделі та їх перевірок у спостереженнях. Але до цих пір результат залишається невизначеним: Всесвіт може бути будь-яким із зазначених Фрідманом типів - відкритої, плоскою і замкнутою. Ми все ще не знаємо в точності пристрої, головних параметрів і майбутньої поведінки нашого світу. Чи буде Всесвіт нескінченно розширюватися, чи коли-небудь розширення зміниться стисненням і вона піде до початкової сингулярність? Хіба можна спокійно жити, не знаючи відповіді?

На Насправді все не так трагічно. Найбільш навчені космологи вже інтуїтивно отримали о?? вет і вважають, що, швидше за все, ми живемо в плоскою Всесвіту, де середня щільність речовини (видимого і прихованого) дорівнює критичною, геометрія простору евклідового і світ в цілому не має кривизни. До цього їх схиляють не тільки результати аналізу космологічних тестів, а й міркування «Естетичної краси», які так цінував Ейнштейн і які допомогли йому вибрати саме той варіант теорії тяжіння (загальну теорію відносності), який до цих пір вважається кращим, узгоджується з усіма результатами спостережень.

Але в науці найголовніший критерій істини все ж таки не інтуїція (навіть найвидатніших людей, які теж іноді помиляються), а результати досвіду і точного аналізу. Тому з колишнім завзяттям спостерігачі, які отримують у своє розпорядження всі більш витончені прилади та методи аналізу, продовжують пошуки єдиного варіанти нашого вселенського Дому. На цьому шляху, крім які уточнюються результатів старих тестів, з'явилася останнім часом абсолютно нова можливість, пов'язана з докладними дослідженнями температури реліктового випромінювання.

Анізотропія реліктового випромінювання

Так Чи вже Ізотропія реліктовий фон? З точністю до 0,01% він дійсно однаковий у всіх напрямках, чого достатньо, щоб відкинути всі спроби пояснити його близькими джерелами і прийняти як випромінювання всієї Метагалактика. А що буде, якщо ще підвищити точність вимірів?

20 років тому такий експеримент провела американська група на висотному літаку-лабораторії та виявила помітну анізотропію релікта: в деякій області небесної сфери температура випромінювання була трохи вище - максимальна різниця становила 3,5 мК, а в протилежному - на таку ж величину менше. Був відкритий так званий дипольний компонент анізотропії, що отримав дуже просте і природне пояснення. Він обумовлений доплерівським зсувом частоти (а значить, і температури) випромінювання, що приймається рухомим спостерігачем. Це той же ефект, за яким висота гудка потягу, що наближається вище, а видаляти - нижче, ніж стоїть. Реліктові фотони налітають з усіх сторін; летять назустріч спостерігачеві виявляться більш енергійними, а тих, що наздоганяють «в хвіст »- менш енергійними, ніж приходять збоку. Цей експеримент показав, що Земля (разом з Сонячною системою, Галактикою та іншими адресними підструктурами) рухається зі швидкістю 370 км/с щодо далекого речовини, важко зітхнувши реліктове випромінювання. Сам по собі цей результат дуже цікавий. Знайдена інерціальна система, яку шукали на початку століття, вирішуючи проблему світового ефіру. Тоді Майкельсона досвід показав, що такої системи немає і ефіру з приписувана йому властивостями пружного середовища не існує. Ефір дійсно зараз фізики не потрібен, але обрана система відліку (в певному сенсі абсолютна) все ж таки, виявляється, існує.

За вирахуванням дипольного компонента реліктове випромінювання на небесній сфері представляє рівномірну «пульсація», викликану статистичними і приладових похибками. Кінцевих значень більш дрібної анізотропії довго не знаходили, поки не були проведені на супутниках унікальні експерименти Релікт (СРСР, 1984) і COBE (США, 1992). Перший показав, що більш високі анізотропні компоненти відсутні до рівня DТ/Т = 10-5, і цей факт свідчив про великий кількості холодної темної матерії (що рухається зі швидкостями багато менше швидкості світла). Другий відкрив цілий спектр анізотропних компонентів, які, як висип, покривають все небо і мають досить великі розміри (1 - 90о). Це сліди тих первинних флуктуацій щільності речовини, які з'явилися в момент рекомбінації плазми і з яких розвинулися всі спостережувані структури Всесвіту. Великий розмір неоднорідностей - аргумент на користь інфляційної ери, оскільки зароджувалися вони (в темній матерії) саме в той далекий час і встигли сильно вирости.

Анізотропія реліктового фону на рівні 20-40 МКК - встановлений факт. Її компоненти, зберегли відбитки минулих епох, можуть послужити вірну службу, ставши космологічним Розетський каменем у відтворенні історії «давно минулих днів».

Вимірювання реліктового випромінювання детекторами на висотних аеростатах підтвердили висновки супутникових експериментів і змогли продовжити спектр анізотропних компонентів до високих моментів. Результати всіх дослідів наведено на рис. 2.

Рис. 2. Спектр неоднорідностей (анізотропії) реліктового випромінювання: по осі абсцис -- мультіпольний момент, по осі ординат - температурні флуктуації; точки з похибками - експериментальні дані, криві - результати розрахунку по інфляційної моделі (а) і моделі топологічних дефектів (б)

Точками показані експериментальні дані, кривими - очікувані спектри у різних моделях первинних флуктуацій щільності. Хоча помилки вимірювань ще дуже великі, експерименти краще узгоджуються з прогнозом інфляційної моделі (крива а) та майже напевно відкидають модель топологічних дефектів (крива б). У розрахунок закладені всі космологічні параметри Всесвіту і, якщо вимірювання будуть більш точними, особливості розрахункового спектру (зростаюча частина, положення і амплітуди трьох піків, крутий спад) можуть бути точно «прив'язані», в результаті чого параметри стануть відомі з точністю, недоступною для інших космологічних тестів (поки невизначеність становить 50%). Зараз готуються два нових прецезіонних супутникових експерименту: MAP (США, запуск у 2001 р.) і Planck (Європейське космічне агентство, 2007 р.), результати яких дозволять визначити параметри Всесвіту з точністю до 5% (рис. 3), - і проблема вибору моделі буде знята з порядку денного. Важко переоцінити важливість загальнонаукову проведених досліджень - вона порівнянна з найбільш гучними відкриттями минулих століть, що заклав основи знання про навколишній світ.

Рис. 3. Той же спектр анізотропії реліктового випромінювання, як він буде виміряна в експериментах МАР і Planck для моделі плоскою Всесвіту з певним набором космологічних параметрів

А що далі?

І все-таки на цьому справа не зупиниться - наука завжди в дорозі. Вже видно нові проблеми і завдання, які ставить невгамовна природа. Однією з них, що стосується структури Всесвіту, є проблема «130 Мпк шкали». Суть її полягає в те, що скупчення галактик і воіди розташовані не хаотично, а строго визначено: спостерігається періодичність їх чергування з кроком 130 Мпк. Ні з сучасній теорії, ні з моделі млинців така періодичність зовсім не випливає. Що це - вказівка на невідомі ще деталі пристрою нашого Будинку або наслідок надмірної підозрілості дослідників - покажуть подальші, більш точні спостереження.

До числу турбують (невирішених або незрозумілим) проблем відноситься і так званий антропний принцип, який обговорює з перемінним успіхом протягом останніх десятиліть. Він є формальною відповіддю на питання, чому світові фізичні константи так точно «підігнані» (до кількох відсотків) до того еволюційному дорозі, якою пройшла Всесвіт: Великий Вибух - розширення Метагалактика -- освіта зірок, галактик і скупчень - синтез елементів, включаючи С, N, О, з яких будуються органічні речовини - зародження життя - поява людини, спостерігача природи. Згідно антропний принцип, Всесвіт влаштована таким чином, що в ній обов'язково має з'явитися спостерігач. Інші всесвіти, з іншим набором констант, ненаблюдаеми, тому що в них еволюційна ланцюг обірвався на проміжній ланці: синтез елементів не пішов далі гелію, не встигли утворитися зірки і т.д. Що насправді криється за антропний принципом та ідеєю безлічі всесвітів, поки неясно. Але, як відомо, нерозкритих таємниць в науці не буває - буде дано точну відповідь і на цей важкий питання.

Можливо, нам все-таки доведеться доповнити свою адресу зазначенням скупчення всесвітів або інших структурних одиниць.

Просто Дім продовжує будуватися в нашій свідомості, уточнити і вдосконалюючись.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://archive.1september.ru/