Веками астрономические открытия будили воображение человека. Особенно трудным, по-видимому, был переход от веры в то, что Земля плоская, к убеждению в ее шарообразной форме. В самом деле, прямые визуальные и фотографические доказательства сферичности Земли появились лишь в нашем столетии – благодаря самолетам, летающим на больших высотах, и искусственным спутникам. А в XVI-XVII вв. даже тот факт, что Земля не находится в центре Вселенной, поверг человеческий ум в смятение. Аристотель (IV в. до н.э.) и Птолемей (II в. н.э.) считали, что Земля находится в центре мира. В системе Птолемея планеты двигались по небольшим окружностям-эпициклам, центры которых обращались вокруг Земли по основным окружностям-деферентам. И этой теории астрономы следовали в течение 14 столетий.
Когда же Коперник – почти 500 лет назад – высказал твердое убеждение, что Земля движется вокруг Солнца, Лютер воскликнул: «Этот безумец хочет перевернуть всю астрономическую науку вверх дном. Но, как записано в Священном писании, именно Солнцу, а не Земле Иисус Навин приказал остановиться». В 1508 г. Коперник писал: «То, что нам кажется движением Солнца, на самом деле происходит не из-за того, что оно движется, а потому, что движется Земля». Гелиоцентрическая система Коперника, изложенная в 1543 г. в его знаменитом труде «Об обращениях небесных сфер», явилась важным этапом в развитии человеческой мысли.
Теория Коперника низвергла Землю с ее главенствующего, неподвижного положения в центре Солнечной системы. С изобретением и совершенствованием телескопа в последующие за тем столетия интерес человека обратился к звездам. Любопытно, что и четыре века спустя после того, как была принята теория Коперника, предполагалось, что Солнце и Солнечная система находятся в центре звездной Вселенной. Критическим с этой точки зрения можно считать десятилетие, последовавшее за 1918 г., когда астрономические исследования привели к окончательному крушению эгоцентрического заблуждения человека относительно его места во Вселенной. Именно в эти годы были достигнуты существенные успехи в понимании структуры Млечного Пути и строении космоса в более крупных масштабах. Это произошло благодаря тому, что был найден способ определять расстояния до очень удаленных звезд. В XIX в. астрономы умели определять расстояния до ближайших звезд только прямым тригонометрическим методом, измеряя смещения звезд по отношению к слабым звездам фона в моменты, когда Земля находится в противоположных точках своей орбиты. Даже с появлением фотографии этот метод позволял измерять расстояния не более чем в 100 световых лет; к концу столетия таким способом удалось определить расстояния до нескольких тысяч звезд. Открытие зависимости между периодом изменения блеска цефеид и их видимой звездной величиной, сделанное в 1912 г. Генриеттой Ливитт из Гарвардской обсерватории, и абсолютная калибровка этой зависимости, выполненная Харлоу Шепли, позволили определять значительно большие расстояния. Это сразу же привело к революционным изменениям в понимании крупномасштабной структуры Вселенной.
Шепли изучал цефеиды в шаровых скоплениях. К 1918 г. он измерил расстояния до 25 из 100 известных тогда объектов этого типа и обнаружил, что они чрезвычайно удалены от Солнца: на 15000-100000 световых лет. Как обнаружилось, шаровые звездные скопления неравномерно распределены по небу – треть из них сконцентрирована вблизи звездного облака в созвездии Стрельца. Поэтому Шепли заключил, что Солнце находится очень далеко от центра Млечного Пути и Солнечная система отнюдь не является центром Млечного Пути, так что 100 млрд. его звезд не распределены симметрично относительно нее. Они образуют уплощенный диск протяженностью в 100000 световых лет, причем Солнце отстоит от центральной области этого диска на 30000 световых лет. Достижения радиоастрономии, позволившие исследовать нейтральный водород в Млечном Пути, излучающий на волне около 21 см, быстро привели к появлению вполне определенной картины спиральной структуры нашей Галактики. Однако при этом возникли новые проблемы. Принято считать, что Галактика вращается вместе со своими рукавами наподобие вязкой жидкости. На расстоянии от центра Галактики, соответствующем удаленности от него Солнечной системы, период обращения составляет 220 млн. лет, а на расстоянии в десять раз меньшем – 28 млн. лет. Как объяснить это различие? Далее, из общей массы Галактики, равной примерно 2-10й массам Солнца, только около 2% приходится на пыль и газ. Большую часть последнего (почти 99%) составляет водород. Этот газ распределен неравномерно, причем недавно в нем обнаружены небольшие количества сложных молекул (в том числе воды).
Одна из примечательных особенностей структуры нашей Галактики состоит в том, что в ее центральной области – в пределах 2000 световых лет – вещество сосредоточено преимущественно в старых красных звездах, а газ составляет всего около 1% общей массы. В спиральных же рукавах, где находится и наше Солнце, это соотношение существенно иное: звезды здесь в основном молодые, голубые, а газ составляет около 20% всей массы. Пока не известно, чем вызвано такое различие.
Астрономы надеются, что наблюдения газовых облаков в спиральных рукавах покажут, как именно там формируются новые звезды. Особое значение здесь могут иметь результаты радиоастрономических исследований с помощью радиотелескопов, работающих на очень коротких волнах.
Молекулы различных веществ излучают на определенных частотах в радиодиапазоне; однако до недавнего времени никто не предвидел возможности их обнаружения в межзвездной среде. Но вот в 1963 г. в космосе было обнаружено радиоизлучение гидроксила (ОН), а в течение всего трех лет после 1969 г. – спектральные линии еще 25 различных молекул. С тех пор количество новых молекул, обнаруженных в космическом пространстве, все продолжает увеличиваться. Замечательно, что подавляющее большинство этих молекул содержит углерод, так что в космосе, как и на Земле, основой химии сложных молекул, по-видимому, является углерод.
Исследования шаровых скоплений, выполненные Шепли в 1918 г., способствовали совершенно новому пониманию строения Млечного Пути и одновременно поставили множество проблем, не разрешенных и по сей день, – это было одно из двух крупнейших астрономических открытий, сделанных сразу же после первой мировой войны. В то же время на обсерватории Маунт-Вилсон вступил в строй 100-дюймовый (254 см) телескоп-рефлектор, с помощью которого Эдвин Хаббл получил надежные доказательства того, что Вселенная отнюдь не ограничивается лишь Млечным Путем. В течение целого столетия астрономы полагали, что некоторые «туманные» объекты, видимые на небе, могут быть отдельными звездными системами, лежащими за пределами Млечного Пути. Подтверждение этому было получено опять благодаря появившейся возможности измерять расстояния по цефеидам. В 1926 г. Хаббл опубликовал результаты наблюдений изменения блеска цефеид в 400 звездных системах. Он обнаружил, что эти системы находятся на очень больших расстояниях от Млечного Пути. Полученное Хабблом доказательство внегалактической природы названных звездных систем явилось выдающимся событием в истории астрономии. Не менее важным событием была публикация им результатов наблюдений, свидетельствовавших о связи между расстоянием до внешних галактик и смещением к красному концу спектра спектральных линий их излучения. Объясняя это «красное смещение» эффектом Доплера, Хаббл установил, что скорость удаления галактик линейно увеличивается с расстоянием; тем самым он заложил наблюдательную основу для новых представлений о крупномасштабном расширении Вселенной.
100-дюймовый телескоп обсерватории Маунт-Вилсон позволил человеку проникнуть в пространство на расстояние в 140 млн. световых лет, в пределах которого заключено 2 млн. внегалактических звездных систем; скорость их разбегания на этом предельном расстоянии Хаббл оценил примерно в 3 тыс. км/с. Опубликованные в 1975 г. результаты, полученные с помощью нового телескопа на обсерватории Сайдинг-Спринг в Новом Южном Уэльсе (Австралия), относятся к звездным системам, на 5 звездных величин более слабым, чем самые слабые объекты, наблюдавшиеся Хабблом. Сегодня количество доступных наблюдению внегалактических объектов оценивается в 100 млн., но их число продолжает увеличиваться в 2-3 раза с каждым убыванием блеска на одну звездную величину.
Хаббл обнаружил, что внегалактические тумманности бывают в основном двух типов. Сферические и эллиптические галактики, не имеющие внутренней структуры или обладающие слабо выраженной структурой, составляли около 1/5 наблюдавшихся им объектов. Исключив небольшую долю неправильных галактик, Хаббл классифицировал все остальные галактики как спиральные. Он был убежден, что существует эволюционный переход от эллиптических галактик к спиральным. Однако реальность этой эволюционной последовательности подверглась сомнению, когда выяснилось, что эллиптические галактики состоят преимущественно из более старых звезд, а ветви спиральных галактик – из молодых. Открытия, сделанные с помощью радиотелескопов после 1950 г., окончательно расшатали веру в то, что такая простая, упорядоченная последовательность действительно существует.
Новая эра началась в 1951 г., когда сильный источник космического радиоизлучения в созвездии Лебедя был отождествлен с необычным объектом на фотографии, полученной с помощью 200-дюймового (5 м) рефлектора обсерватории Маунт-Паломар. По измерению красного смещения этого слабого объекта было установлено расстояние до него -700 млн. световых лет, а двойственный характер объекта наводил на мысль о двух сталкивающихся галактиках. Поскольку вскоре было открыто много объектов такого рода, получивших название радиогалактик, от гипотезы столкновения пришлось отказаться, тем более что она не могла объяснить огромных количеств энергии, излучаемых радиогалактиками. Многие радиогалактики состоят из двух центров сильного радиоизлучения, лежащих по обе стороны от визуально наблюдаемого объекта. Это заставляет предполагать, что в ядрах таких галактик идут бурные процессы взрывного характера, порождающие мощные вспышки излучения. Высокая мощность излучения радиогалактик способствовала их отождествлению со все более удаленными оптическими объектами. В 1959 г. в этой области произошло знаменательное событие – было произведено отождествление галактики в созвездии Волопаса, расстояние до которой (определенное по красному смещению) равнялось 4500 млн. световых лет и скорость убегания которой достигала 4% скорости света.
Попытка обнаружить еще более удаленные объекты привела к удивительному открытию. Объекты, которые по характеристикам их радиоизлучения относились к еще более далеким, в 1960 г. были отождествлены с оптическими объектами, фотографические изображения которых имели звездообразный вид. Их общей особенностью была необычайно высокая интенсивность излучения в голубой области оптического спектра, благодаря чему в течение двух лет их считали новым типом звезд в Млечном Пут В 1963 г. Мартину Шмидту из обсерватории Маунт-Паломар удалось отождествить спектр одной из этих «радиозвезд». Оказалось, что в действительности эти объекты не только не принадлежат Млечному Пути, а, наоборот, имеют самые большие красные смещения из всех известных. С тех пор было обнаружено более 500 таких объектов, которые назвали квазарами. Красные смещения большинства из них указывают на скорости убегания свыше 50% скорости света, а у немногих – до 80%. Оценка расстояния до этих объектов в определенной степени зависит от используемой космологической модели Вселенной. И если принять предположение о том, что красное смещение целиком связано с космологическим расширением Вселенной, то квазары с наибольшим красным смещением находятся на расстояниях около 7 млрд. световых лет.
Остается непонятным, каким образом в квазарах выделяются такие гигантские количества энергии, особенно если учесть, что у многих из них это происходит в объемах, по астрономическим масштабам чрезвычайно малых. Выдвигались различные гипотезы о возможности гравитационного коллапса и наличии сверхплотного вещества в ядре квазара. Примечательно, что радиогалактики и квазары, о которых никто не имел ни малейшего представления в то время, когда Хаббл открыл внегалактические объекты, теперь играют исключительно важную роль в нашем понимании Вселенной.
Исходя из наблюдаемых скоростей расширения Вселенной, можно предположить, что 10 млрд. лет назад все ее первоначальное вещество должно было находиться в сверхплотном состоянии. Изучение квазаров дает возможность «заглянуть в прошлое» более чем на три четверти времени от начала расширения, что позволяет проследить раннюю историю Вселенной. Попытки интерпретировать эти наблюдения в рамках космологии вызвали большие споры, в особенности между сторонниками моделей стационарной и расширяющейся вселенной. Однако из совершенно иного источника поступили очень важные, если не решающие, аргументы. В 1965 г. ученые из лаборатории фирмы «Белл телефон» (США), испытывая экспериментальную аппаратуру для радиосвязи через американский спутник «Эхо» обнаружили, что «сигнал от неба» в сто раз превышает ожидавшийся уровень радиошумов и, более того, он одинаков во всех направлениях. Сегодня предположение, что этот сигнал представляет собой остаточное, реликтовое, излучение первичной горячей и плотной Вселенной, образовавшейся 10 млрд. лет назад, подтверждено многими наблюдениями с помощью наземных радиотелескопов и приборов, вынесенных за пределы земной атмосферы.
Таким образом, мы, по-видимому, располагаем прямыми свидетельствами состояния Вселенной в первые секунды после начала расширения, когда температура первичного вещества составляла многие миллиарды градусов. Возможность того, что Вселенная начала свое развитие из плотного первоначального состояния, допускалась общей теорией относительности Эйнштейна. Однако современные наблюдательные доказательства в пользу реальности такого состояния выявили серьезную проблему. Сингулярность, возникающая при решении уравнений общей теории относительности и указывающая на то, что в нулевой момент времени Вселенная была бесконечно мала и обладала бесконечно большой плотностью, часто трактовалась как чисто математическое понятие, обусловленное предположением об однородности Вселенной. Однако открытие реликтового излучения подтвердило, что Вселенная действительно обладала высокой степенью однородности. В рамках современных физических представлений оказывается возможным допустить существование такого физического состояния, когда вся первичная материя заключалась во Вселенной с поперечником 10-33 см – этот размер соответствует времени, равному 10-43 с с момента начала расширения. Пытаясь приблизиться к физическому описанию «начала времен», мы наталкиваемся на своего рода барьер, поставленный самой современной физической теорией. Вопрос о том, в какой степени этот барьер является фундаментальным препятствием на пути научного описания начального состояния Вселенной, и философское осмысление сущности «начала времен» – одна из самых интересных и волнующих проблем современной науки.
Будет ли Вселенная продолжать расширяться вечно или она в конце концов снова сожмется, перейдя в состояние со сверхвысокой плотностью? Сегодня мы в принципе располагаем конкретными методами наблюдательной проверки этого предположения. В частности, интересно выяснить, нарушается ли строгая линейная зависимость между красным смещением и расстоянием для очень удаленных объектов и какова плотность Вселенной: больше или меньше 2·10-29 г/см3? Если больше, то силы гравитационного сжатия в конце концов должны возобладать над силами расширения, и Вселенная когда-нибудь начнет сжиматься. Наблюдательная проверка – возможных вариантов сопряжена со значительными трудностями, и пока мы не в состоянии ответить на эти вопросы.
Огромные достижения в развитии наших представлений о Вселенной связаны с возможностью изучать ее в широкой области спектра электромагнитных волн. Первый большой шаг здесь был сделан сразу после второй мировой войны, когда появились новые методы наблюдений – радиоастрономические. Затем, в 1957 г., с запуском первого советского искусственного спутника Земли началась новая эра – появилась возможность выносить научные приборы в космос и тем самым преодолевать трудности, связанные с поглощением излучения в земной атмосфере. Для исследований стал доступен весь спектр электромагнитного излучения, включая рентгеновское и гамма-излучение, а также длинноволновое радиоизлучение. Уже первые результаты с очевидностью показали, что предсказать пока можно лишь одно: наши представления о Вселенной будут непрерывно изменяться – так же, как изменялись они в прошедшие века.
Б. Ловелл,
член Королевского общества Великобритании, профессор радиоастрономии Манчестерского университета, директор экспериментальной станции Джодрелл-Бэнк