Эффект Доплера. Теории Вселенной

Среди множества неразгаданных тайн, с которыми сталкивается человечество, загадка происхождения Вселенной - одна из самых увлекательных и, несомненно, самых трудных.

Эффект Доплера. Исследование спектра светящегося тела позволяет узнать, приближается оно или удаляется. Если оно приближается, то наблюдаемый свет имеет несколько более короткую длину волны и тело кажется «слишком голубым». Если же оно удаляется, то длина волны увеличивается и тело кажется «слишком красным». Это явление называется эффектом Доплера-в честь - австрийского физика Кристиана Доплера (1803-1853), первым обратившего на него внимание в 1842 г. Эффект Доплера проявляется в спектре любого самосветящегося тела.

Спектр далекой галактики представляет собой суммарный спектр миллионов звезд, тем не менее основные линии в нем можно отождествить. Оказалось, что спектральные линии всех галактик, кроме членов Местной группы, смещены в красную сторону. Отсюда следует, что Вселенная в целом расширяется, если, конечно, этот сдвиг действительно обусловлен эффектом Доплера. Далее, выяснилось, что, чем дальше расположена галактика, тем больше ее красное смещение и, следовательно, тем выше скорость ее удаления. Этот факт был установлен Эдвином Хабблом, который до того, в 1923 г., впервые убедительно доказал, что туманности определенных типов на самом деле являются самостоятельными галактиками, а не объектами нашего Млечного Пути.

Эти схемы иллюстрируют огромные масштабы Вселенной. На первой из них показана область нашей Галактики, доступная изучению оптическими методами. В таком масштабе Солнечная система выглядела бы микроскопической точкой. Кроме звезд показаны скопления, звездные ассоциации и газовые туманности, например туманность Розетка (NGC 2237) и гуманность Ориона (М 42). Расстояния даны в тысячах световых лет; самая дальняя белая линия соответствует расстоянию от Солнца в 10 тыс. световых лет.

В Местную группу галактик входяіЮ0° более 24 членов, крупнейшие из них- спиральная галактика М 31 в созвездии Андромеды, наша Галактика, спиральная галактика в Треугольнике (М 33) и спутники нашей Галактики - Магеллановы Облака; другие члены Местной группы, например Лев I и Лев II,-карликовые галактики. Расстояния даны в миллионах световых лет. Возможно, членами Местной группы являются также две недавно открытые галактики, Маффеи 1 и Маффеи 2, но их исследования сильно затруднены вследствие поглощения света пылью, находящейся в плоскости нашей Галактики. Галактики Местной группы от нас не удаляются. До расстояния в 750 млн. световых лет есть много скоплений галактик, например богатое скопление в созвездии Девы. Ни оптические, ни радиометоды не позволяют пока исследовать всю область до расстояния 10 млрд, световых лет. Даже самые удаленные объекты, квазары, расположены ближе этой границы.

Теории Вселенной. За несколько лет до того, как Хаббл открыл расширение Вселенной, голландский астроном Виллем де Ситтер (1872-1934) решил уравнения общей теории относительности, опубликованной в 1916 г. Альбертом Эйнштейном. Ранее советский ученый А. А. Фридман (1888-1925) нашел целый класс решений уравнений Эйнштейна, связывающих радиус и среднюю плотность Вселенной со временем. Однако это не сняло всех проблем.

При том или ином подборе параметров уравнений теоретические модели соответствуют Вселенной, либо неограниченно расширяющейся со временем, либо такой, расширение которой в конце концов сменяется сжатием. Многие известные теоретики, среди них Артур Эддингтон (1882-1944) и Жорж Леметр (1894-1966), разрабатывали различные варианты моделей расширяющейся Вселенной, но во всех них фигурировало «начало» существования Вселенной во времени, когда первичное вещество было сжато в бесконечно малом объеме.

В 1946 г. Г. А. Гамов (1904-1968) выдвинул идею (получившую в популярной литературе название «теория большого взрыва»), согласно которой первоначальное состояние Вселенной характеризовалось крайне высокой температурой, результатом чего явился некий первичный взрыв. Гамов предположил также, что наиболее распространенные во Вселенной элементы образовались из первичного водорода в первые минуты после начала расширения.

Принять концепцию «начала» времени было нелегко; это обстоятельство, а также сравнение предсказываемого возраста Вселенной с возрастом Земли побудило Ф. Хойла и Т. Голда высказать в 1948 г. предположение, что Вселенная никогда не имела «начала» и что она находится в стационарном состоянии «непрерывного творения». По этой теории во Вселенной непрерывно образуются атомы водорода (из которых затем формируются звезды и галактики) в количестве, достаточном для того, чтобы заменить галактики, уходящие из обозримой области в процессе расширения Вселенной. В эпоху послевоенных радиоастрономических исследований удаленных частей Вселенной много спорили о том, какую модель Вселенной подтверждают наблюдения-стационарную или эволюционную.

В 1965 г. ученые из лаборатории компании «Белл телефон» случайно обнаружили равномерно распределенное по небу излучение, максимальная интенсивность которого приходится на длину волны 7 см. Проведенное в последующие годы исследование спектра микроволнового космического излучения, в сущности, подтвердило исходную гипотезу о том, что это-«реликтовое» излучение, оставшееся от предсказанной Гамовым начальной фазы существования Вселенной, обладавшей высокой температурой и высокой плотностью.

Проблемы эволюции. Со времени открытия реликтового микроволнового излучения представление о том, что Вселенная находится в эволюционном, а не в стационарном состоянии, получило широкое распространение. Остаются, однако, и неясности. Одна из них связана с будущей судьбой Вселенной. Достаточно ли во Вселенной вещества для того, чтобы гравитационное притяжение преодолело инерцию расширения? Соответствующая критическая плотность Вселенной равна 2 х 10^-29 г/см³; но вряд ли проблему можно решить путем прямых определений плотности вещества во Вселенной, ибо неизвестно, сколько в космосе остается вещества, которое мы просто не в состоянии наблюдать. Представляется, что эту проблему легче решить, наблюдая удаленные объекты Вселенной, подобные квазарам, чтобы выяснить, например, как изменяются с расстоянием скорости их удаления.

Пока еще трудно делать какие-либо определенные выводы. Значительно более «горячим» является вопрос о состоянии вещества во Вселенной в начальный момент времени. Теории предполагают, что в нулевой момент времени выполнялось условие сингулярности, т. е. вещество имело бесконечную плотность. Наблюдаемое реликтовое микроволновое излучение, вероятно, соответствует моменту спустя всего-навсего примерно одну минуту после начала расширения. Современные физические теории способны делать предсказания и относительно более ранних фаз существования Вселенной - всего доли секунды спустя после начала ее расширения.