Annotation

Вкнигерассказываетсяотом,какнапротяжениинесколькихстолетийученыепыталисьвыяснить,почемуночьютемно.Оказывается,этотвопроссвязанссамымобщимустройствомнашейВселенной–стем,конечнаонавовремениивпространствеилибесконечна,расширяетсялионанасамомделе и из чего состоит. В книге подробно обсуждаются основныенаблюдательные факты, лежащие в основе современной космологии, иисторияихоткрытия.

Для всех, кто интересуется астрономией и космологией – отстаршеклассниковдоспециалистоввдругихобластяхнауки.

ВладимирПетровичРешетниковВведениеГлава1Историяфотометрическогопарадокса1.1.Ночноенебо

1.2.Главнаязагадканочногонеба

1.3.Рождениезагадки:КоперникиДиггес1.4.ОтГалилеядоГаллея

1.5.ШезоиОльберс1.6.ДинамическаяВселеннаяЭдгараПо

1.7.МедлерилордКельвинГлава2КакустроенанашаВселенная2.1.РасширениеВселенной

2.2.РасширяетсялиВселеннаянасамомделе?

2.3.ЧтоозначаетрасширениеВселенной?2.4.Реликтовоеизлучение

2.5.СкрытаямассавоВселенной2.6.Расширениесускорением

2.7.ПортретВселенной2.8.ЗапределаминашейВселеннойГлава3Фонночногонеба3.1.Наблюдаемыйфон3.2.РешениефотометрическогопарадоксаЛитература

ВладимирПетровичРешетниковПочемунеботемное.КакустроенаВселенная

ВведениеНетничегосложнее«детских»вопросов.Почемунебоголубое,атрава

зеленая?Почему у людей две ноги, а у кошек четыре?..Ответына такиевопросы требуют либо хорошего чувства юмора [1] , либо детальногознанияпредмета.

Моякнигапосвященаодномуизтаких«детских»вопросов–почемуночноенеботемное?ПривсейвнешнейнаивностиэтотвопросзатрагиваетпредставленияосамомобщемустройственашейВселенной–конечналиона в пространстве и во времени, когда во Вселенной возникли первыеобъекты? Темнота ночного неба, вполне очевидный и простой факт,является на самом деле важнейшим и исторически самым первымкосмологическимнаблюдением,сыгравшимсвоюрольвнашемпониманииокружающегомира.

Для большинства людей подобные вопросы, по-видимому, уже неоченьинтересны.Ещевдетствемыполучаемстандартныйнаборответовна стандартные детские вопросы об устройстве окружающего мира. Этиответы являются в целом правильными, но зачастую очень скучными ималопонятными.Школьныйкурсастрономии, еслионвообщебыл,оченькраток и, в преддверии окончания школы и проблемы выбора будущейпрофессии, обычно проходит почти незамеченным. В итоге уровеньастрономических, да и любых естественнонаучных знаний в обществеоченьнизок.Лучшеедоказательствоэтому–ежедневныеастрологическиепрогнозы по телевидению и в газетах, шоу экстрасенсов, шумиха,устраиваемая по поводу солнечных и лунных затмений, не говоря уже озапускеБольшогоадронногоколлайдера…Достаточноспроситького-либоопричинесменывременгода–влучшемслучаесобеседникответитчто-нибудьвродетого,чтоЗемлятоприближаетсякСолнцу,тоудаляется.Аотом, что в разных полушариях времена года наступают в разное время,людивродебызнают,нонезадумываютсяовозникающемпротиворечии.Да что там времена года – социологические опросы показывают, чтомногиенашисовременникисчитают,чтоСолнцевращаетсявокругЗемли!

Впрочем,такбыловсегда–каждомуследующемупоколениюкажется,что уровень образования все время падает. Конечно, это не может бытьверным, так как человечество все-таки развивается. Однако, похоже, чтосредний уровень знаний об окружающем нас мире и о законах, имуправляющих (к этим знаниямне относятся умение включить компьютер

илизавестимашину),почтинеменяется.Однимизсредствборьбыстакимнепреходящим невежеством являются научно-популярные книги.Желательно,конечно,чтобыонибылиоченьхорошимииувлекательнымикак,например,книгиКарлаСаганаилиСтивенаВайнберга,ноинестольблестящиекнигимогутбытьполезными.

Ксожалению,нарусскомязыкенетакужимногопопулярныхкниг,вкоторых доступно и не слишком бегло объяснялись бы основныетеоретические и экспериментальные факты, на которых базируетсясовременная картина мира. Недостатком многих книг является попытка«объять необъятное», приводящая к чересчур упрощенному исхематичному изложению. В результате у читателей складываетсяпредставление о науке, как о неупорядоченном складе разрозненныхфактов,разбавленныхголословнымиутверждениямитеоретиков.

Чтобы не скатиться в такое слишком популярное изложение, ярасскажу лишь об одной проблеме – о том, почему ночью темно, или,другими словами, о фоне ночного неба. Даже эта, казалось бы, частнаятема на самом деле очень обширна, и мне придется затронуть многиеважныевопросысовременнойкосмологииивнегалактическойастрономии.

Разбираясь с загадкой ночного неба, мы сначала познакомимся сомногимимыслителямипрошлого,обратившимивниманиенаэтупроблему.Некоторые из этих знакомств будут неожиданными – например, мывстретимсясвозможнымпрототипомпринцаГамлетаисЭдгаромАлланомПо. Подробно рассказать обо всех участниках этой истории простоневозможно и поэтому особое внимание будет уделено относительномалоизвестнымобстоятельствам.

Далее будут суммированы основные наблюдательные факты ипредположенияо структуренашейВселенной, а затембудетрассказаноотом,какрешаетсязагадканочногонебасовременнойнаукой.Местамиэтакнига может показаться немного сложной, но перед вами не простопопулярная,авсе-такинаучно-популярнаякнига.

Глава1Историяфотометрическогопарадокса

1.1.НочноенебоКогда я гляжу на небосклон, кишащий звездами, у

меняизголовывылетаютдажетескупыесведенияпоастрономии,которыебыли.

СтаниславЕжиЛец

Видясногоночногонеба–одноизоченьнемногихзрелищ,накоторыеможносмотретьбесконечно.Имеетсяввидунегородскоенебо,накоторомиз-замощнойподсветки,кромеЛуныиярчайшихзвезд,ничегоневидно.Нанебонадосмотретьвдалиотгородов,аещелучше–вгорах.

Созерцание темного небосвода, усыпанного мерцающими звездами,его величественное вращение – все это доставляет колоссальноеэстетическое удовольствие. Во все времена вид звездного неба служилисточникомвдохновениядляпоэтов,писателейихудожников.

Иногда авторы используют вид неба и его восприятие литературнымгероем в «корыстных» целях – чтобы лучше охарактеризовать состояниеперсонажа. Например, Манфред, герой поэмы Джорджа Байрона,разочаровавшисьвжизниивчеловечестве,смотритнанебо:

Сверкаютзвезды,–снежныевершиныСияютвлунномсвете.–Дивныйвид!Люблюяночь,–мнеобразночиближе,Чемобразчеловека;всозерцаньеЕеспокойной,грустнойкрасотыЯпостигаюречьиногомира.(пер.И.Бунина)

АвоткакэтосделалАлександрКуприн:

...

«Я лег на спину и долго глядел на темное,спокойное, безоблачное небо, – до того долго, чтоминутами мне казалось, будто я гляжу в глубокую

пропасть, итогда уменя начинала слабо, но приятнокружиться голова. А в душу мою сходил какой-тотомный, согревающий мир. Кто-то стирал с неевластнойрукоювсюгоречьпрошедшихнеудач,мелкуюиозлобленную суету городских интересов, мучительныйпозор обиженного самолюбия, никогда не засыпающуюзаботуонасущномхлебе».

СословамиКупринаперекликаютсястрочкиАфанасияФета:

НастогесенаночьююжнойЛицомкотвердиялежал,Ихорсветил,живойидружный,Кругом,раскинувшись,дрожал.Земля,каксмутныйсоннемая,Безвестноуносиласьпрочь,Ия,какпервыйжительрая,Одинвлицоувиделночь.Яльнессякбезднеполуночной,Ильсонмызвёздкомненеслись?Казалось,будтовдланимощнойНадэтойбезднойяповис.

Иногдапоэтыпростолюбуютсязвезднымнебом:

…Взгляни,какнебосводВесьвыложенкружкамизолотыми;Исамыймалый,еслипосмотреть,Поетвсвоемдвиженье,словноангел,Ивторитюнооокимхерувимам.(В.Шекспир)

или

Небесныйсвод,горящийславойзвездной,Таинственноглядитизглубины—Имылетим,пылающеюбезднойСовсехсторонокружены.(Ф.Тютчев)

ДревнеримскийписательифилософСенекавIвекен.э.выразилсвоевосхищениекрасотойнебатак:«ЕслибынаЗемлебылотолькоодноместо,откудавиднозвездноенебо,токнемусовсехконцовстекалисьбытолпылюдей,жаждущихувидетьэточудо».ПочтичерездватысячелетияСенекевторит другой философ – Иммануил Кант: «Мироздание с егонеизмеримым величием, с его сияющими отовсюду бесконечнымиразнообразием и красотою приводит нас в безмолвное изумление», или,одноизегосамыхизвестныхвысказываний,–«Двевещинаполняютдушувсегдановымивсеболеесильнымудивлениемиблагоговением,чемчащеипродолжительнеемыразмышляемоних,–этозвездноенебонадомнойиморальныйзаконвомне».

Изменилосьбычто-нибудьвнашейжизни,еслибызвездноенебонебыло бы видно с поверхности Земли? Вопрос звучит странно, посколькубольшинство людей никак не связывают воспринимаемые чистоэстетически пятнышки на темном небе с чем-либо практическим иполезным. Пострадали бы, конечно, литература и поэзия, лишившисьважногоисточникавдохновения,нобылибыигораздоболеесущественныепоследствия,заключающиесявтом,что,вполневероятно,развитиенаукиичеловеческой цивилизации в целом было бы сильно заторможено. Чутьутрируя,можно сказать, чтобез звезднанебе, возможно, сейчаснебылобы ни телевидения, ни интернета, ни мобильных телефонов, а такжемногого другого, без чего невозможно представить современную жизнь.Всеэто,скореевсего,былобысоздано,нопозднее.

Оченьважнойособенностьюнебесныхявлений,резкоотличающейихот полной случайностей обыденной жизни человека, является ихпериодичность и предсказуемость. Наблюдения за этими явлениями – задвижением Луны и ее фазами, перемещением Солнца, суточнымвращениемнебеснойсферы,систематическимизменениемзвездногоузорав течение года – дали древнему человеку практическую возможностьориентации во времени и пространстве. Изучение небесныхзакономерностей позволило впервые сформулировать представление осуществованиинепреложных законов,управляющихокружающиммиром.Развитие этих идей привело к возникновению науки в современномпонимании. Хрестоматийным примером является открытие ИсаакомНьютоном закона всемирного тяготения на основе астрономическихданных о движении Луны. Величайшие математики прошлого – Эйлер,Лагранж, Лаплас, Гаусс, Пуанкаре – создавали новые математическиеметоды и оттачивали уже существующие при решении чистоастрономических задач, связанных с описанием видимых перемещений

небесных объектов. Именно это имел в виду Альберт Эйнштейн, когдаписал, что «интеллектуальные орудия, без которых было бы невозможноразвитиесовременнойтехники,пришливосновномотнаблюдениязвезд».

ВоткакобэтомжеписалАнриПуанкаре:«Сколькоразфизикимоглипасть духом от множества испытываемых неудач, если бы в них неподдерживал веры блестящий пример успеха астрономов! Этот успехпоказывал им, что природа подчинена законам…Мало того.Астрономияне только открыла нам существование законов; она научила нас, что этизаконы непреложны, что идти против них невозможно. Сколько временипонадобилосьбынамдляусвоенияэтоймысли,еслибымызналитолькоземноймир?.»

Мир, в котором не видно звезд, описан братьями Стругацкими вромане«Обитаемыйостров»:«Небоздесьбылонизкоеикакое-тотвердое,без этой легкомысленной прозрачности, намекающей на бездонностькосмоса и множественность обитаемых миров, – настоящая библейскаятвердь, гладкая и непроницаемая». Уникальные свойства атмосферы этойпланеты – большое поглощение и сильная рефракция – привели ееобитателей к такой картине вселенной: «Обитаемый остров былМиром,единственныммиромвовселенной.Подногамиаборигеновбылатвердаяповерхность Сферы Мира. Над головами аборигенов имел местогигантский,ноконечногообъемагазовыйшарнеизвестногопокасоставаиобладающий не вполне ясными пока физическими свойствами… Корочеговоря, обитаемый остров существовал на внутренней поверхностиогромного пузыря в бесконечной тверди, заполняющей остальнуювселенную».Понятно, что наукана этойпланете находилась на довольнонизкомуровне.

В 1941 году главный редактор журнала «Astounding Science Fiction»Джон Кэмпбелл показал Айзеку Азимову высказывание Ральфа УлдоЭмерсона:«Еслибызвездыпоявлялисьнанебелишьводнуночьзатысячулет,какбыистововеровалилюди!НамногиепоколениясохранилибыонипамятьоГрадеБожьем…»

–Кактыдумаешь,–спросилКэмпбеллАзимова,–еслибыивсамомделелюдивиделизвездыразвтысячулет,чтобыпроисходило?

Азимовпожалплечами.–Даонибысумасходили!–заявилКэмпбелл.–Идидомойипиши

рассказ.ЧерездвенеделиАзимовпринесрассказ«Приходночи».Егодействие

происходитнапланете,входящейвсистемуизшестизвезд,илишьразвпримернодветысячилетскладываютсяусловия,когдананесколькочасов

планетапогружаетсявотьму–пятьеесолнцнаходятсяподгоризонтом,ашестое затмевается спутником.Обитатели планеты, никогда не видевшиезвезд–онихсуществуютлишьлегенды–иникогдаподолгунебывавшиевтемноте, с ужасом ждут прихода ночи. И она приходит… Цивилизациягибнет в огне пожарищ, зажженных обезумевшими от страха людьми. Азатемначнетсяновыйдвухтысячелетнийциклразвития,кисходукоторогообитатели планеты только-только успеют открыть закон всемирноготяготения и осознать, что их ждет новый Апокалипсис, который сноваоткинетихцивилизациювпочтипервобытноесостояние.РассказАзимова,конечно,преувеличение,однакооноченьрельефноподчеркиваетзначениесозерцанияиисследованияночногонебадляформированиямировоззрениячеловекаиразвитиянауки.

А теперь, после описаний красот ночного неба и обсуждения еговажности,явынужденразочароватьчитателя–речьвэтойкнигепойдетнеотом,чтомывидимнанебе,аотом,чтомынанемневидим.Этозвучит,конечно,странно,посколькумычащезадумываемсяотом,чтовидим,чемотом,чтоневидим.ВXIXвекеизвестныйфранцузскийфизикиастрономЖак Бабине назвал кометы «видимым ничто». Основанием для такогозаключения послужила очень низкая плотность вещества кометы посравнению с ее колоссальными размерами и яркостью. Перефразируявысказывание Бабине, можно сказать, что фон неба – это «невидимоенечто». Это «нечто», и почему оно «невидимое», составляют основноесодержаниекниги.

1.2.ГлавнаязагадканочногонебаПогаситеэтутьму!

СтаниславЕжиЛец

Представимсебепростейший,интуитивнопринимаемыйпочтивсеми,вариант мироустройства – вечная бесконечная Вселенная, равномернозаполненная звездами [2] . Именно так представлял себе Вселенную,например,ДжорданоБруно:«Этопространствомыназываембесконечным,потому что нет основания, расчета, возможности, смысла или природы,которые должны были бы его ограничить; в нем находится бесконечноемножество миров, подобных нашему…», а задолго до него Эпикур:«Беспредельна Вселенная как по множеству тел, так и по обширностипустоты».АвотпоэтическийвзгляднабесконечнуюВселенную:

Ночьюяоткрываюмойлюкисмотрю,какдалекоразбрызганывнебемиры,Ивсе,чтоявижу,умноженноенасколькохотите,

естьтолькограницановыхиновыхвселенных.Дальшеидальшеуходятони,расширяясь,всегдарасширяясь,Заграни,заграни,вечнозагранимиров.________Какдалеконисмотри,затвоеюдальюестьдали.Считай,сколькохочешь,неисчислимыгода.(УолтУитмен)

Представление о бесконечности окружающего мира кажется оченьестественным.Ведь,действительно,

…коль признать, что пространство вселеннойконечно,

То если б кто-нибудь вдруг, разбежавшись встремительном

беге,Крайних пределов достиг и оттуда, напрягши все

силы,Бросилсразмахукопье,то,–кактысчитаешь?–

онобыВдальполетело,стремясьнеуклоннокнамеченной

цели,Илижечто-нибудьтамнапутиемупомешало?(ТитЛукрецийКар)

ВIвекедон.э.ЛукрецийсформулировалидругойаргументвпользубесконечностиВселенной:

…есливсенеобъятнойвселеннойпространствоЗамкнутобылобкругоми,имеяпредельныеграни,Было б конечным, давно уж материя вся под

давленьемПлотныхначалосновныхотовсюдуоселабывкучу,И не могло бы ничто под покровом небес

созидаться;Небылобсамыхнебес,даисолнцалучинесветили

б,Таккакматериявся,оседаявсенижеинижеОт бесконечных времен, лежала бы сбившейся в

кучу.

Заменяем уЛукреция слово «давление» на «гравитация» и получаемописаниегравитационнойнеустойчивости.Вот,кпримеру,какобэтомжеписалНьютон:«Мнепредставляется,чтоеслибывеществонашегоСолнцаипланет, да и все веществоВселеннойбылобыравномерно рассеяноповсему небу, и каждая частица обладала бы внутренне присущим ейтяготениемковсемостальным,авсепространство,покоторомубылобырассеяно это вещество, было бы конечным, то вне этого пространствавещество под действием своего тяготения стремилось бы ко всемувеществувнутринегои,следовательно,падалобыкцентрупространстваиобразовалобытамоднугигантскуюсферическуюмассу».

Итак, пусть бесконечная стационарная Вселенная равномернозаполненазвездами,причемn—среднеечислозвездвединицеобъема,aL–средняясветимостьоднойзвезды,тоестьполнаяэнергия,излучаемаяею

в единицу времени во всех направлениях. Рассмотрим звезду нарасстоянии r от Земли. Освещенность, то есть поток энергии,приходящийсянаединицуплощади,отэтойзвездынаповерхностиЗемлиравна

...

E(r)=L/4πr2(1)

Смысл этой формулы очень прост – излучаемая звездой энергияраспределяетсяпоповерхностисферырадиусаr ,площадькоторойравна4πr2.

Рис.1.Сферическийслой,вырезанныйвбесконечнойВселеннойТеперь рассмотрим окружающий Землю концентрический слой

радиусомrитолщинойdr—см.рис.1.Объемэтогослояравен4πr2dr(это просто произведение площади сферы радиуса r на толщину слоя) и,следовательно,внемнаходятсяn ·4πr2drзвезд.В итоге получаем, чтополнаяосвещенностьотзвездэтогослоя

...

dE(r)=n·4πr2dr·L/4πr2=nLdr(2)

Любопытныйфакт–мыобнаружили,чтосуммарнаяосвещенностьотзвезд, расположенных в каком-либо сферическом слое, зависит только от

толщиныэтогослоя (dr ),ине зависитотрасстояниядонего.Причинойявляется то, что, по мере удаления слоя, уменьшение освещенности отсоставляющих его звезд в точностикомпенсируется ростомчисла звезд вслое(формула(2)).

Таким образом, если мы разбили Вселенную на слои одинаковойтолщины,токаждыйтакойслойдаетодинаковыйвкладвосвещенностьнаЗемле. Вселенная бесконечна, а, значит, и число таких слоев бесконечно.Отсюда простой вывод – освещенность, создаваемая всеми объектамибесконечной Вселенной, бесконечна. Результат обескураживающий.Бесконечная яркость ночного неба очевидным образом противоречитповседневномуопыту.Парадокс?

ПопробуемсделатьнашумодельнуюВселеннуюболеереалистичной.Учтем,чтозвездынеявляютсяматематическимиточками,аимеютхотяиочень малый, но конечный угловой размер. Например, угловой размернашегоСолнцасрасстояния1парсек(примерно3.3световогогода)равен0.″01 (одна сотая угловой секунды) – величина, безусловно, оченьмаленькая, но не нулевая. Это означает, что ближайшие к нам звездызагораживаютболеедалекиеиэкранируютихизлучение.Дляиллюстрацииэтого утверждения обычно используют сравнение заполненного звездамипространствасгустымлесом.Находясьвглубинелеса,высовсехсторонокружены деревьями. Если лес небольшой, то между стволами деревьевбудут видны просветы. Если же лес очень большой и густой, то стволыближайшихдеревьевсплошнойстенойприкроютотвасвсе,чтонаходитсявдали.

Следовательно,вбесконечнойВселеннойлюбойлучзренияраноилипоздноупретсявдисккакой-нибудьзвездыипоэтомуночноенебодолжноравномерно сверкать как диск типичной звезды. Это уже лучше, чембесконечная яркость, однако совсем не похоже на реальное ночное небо.Действительно,предположим,чтоСолнце–обычнаясредняязвезда(этоив самом деле близко к действительности). Тогда небосвод, точнее,полусфера,доступнаянаблюдениям,долженсиятьпримернов100000разярче, чемСолнце. Столь мощное излучение сделало бы невозможным нетолько обсуждение яркости ночного неба, но и вообще исключило быпоявлениежизнинанашейпланете.

Описанныйпарадокс был осознан уже несколько столетийназад.ОнноситназваниефотометрическогопарадоксаилипарадоксаОльберса.Какбудетясноиздальнейшего,Ольберсбылдалеконепервымисследователем,обратившимвниманиенаэтузагадку,но,ксожалению,оченьчастозаконы,формулы и вообще любые открытия носят имена не своих

первооткрывателей – вспомним, к примеру, открытие Америки.АнглийскийфизикМайклБеррившуткусформулировалпринципАрнольда(вчестьзнаменитогороссийскогоматематикаВ.И.Арнольда):есликакой-нибудь предмет или понятие имеет персональное имя, то это – не имяпервооткрывателя.

В свою очередь, принцип Берри гласит, что принцип Арнольдаприменимиксамомусебе[3].

Очевидно, что существование фотометрического парадокса означает,чтоснашеймодельнойВселеннойчто-тоневпорядкеинадоотказатьсяотодного из исходных предположений. Значит, Вселенная может бытьограниченной во времени и в пространстве, звезды могут бытьраспределенынеравномерно,акаким-тоспециальнымобразом,Вселеннаяможет быть не стационарной, а находиться в процессе расширения илисжатия. Все эти и другие соображения неоднократно высказывались прианализефотометрическогопарадокса.

Именнообэтом–отом,когдабылаосознаназагадканочногонеба,икак на протяжении нескольких столетий пытались ее решать, – и пойдетречьвпервойчастиэтойкниги.Фотометрическийпарадоксникогданебылмодным направлением исследований и на протяжении многих летнаходился, по сути, на периферии интересов астрономов и физиков. Темболее любопытно, что решать этот парадокс пытались многие известныеученые.

1.3.Рождениезагадки:КоперникиДиггесБедныегении,онивынужденыбылиоткрыватьто,

чтомыпроходимвшколе.

Неизвестнаяшкольница

Коперниканская революция, которую зачастую считают своего родаэталономнаучныхреволюций,насамомделесвершиласьоченьбудничноипрошла для современников почти незамеченной.По преданию считается,чтовпоследнийденьсвоейжизни–24мая1543года–смертельнобольнойНиколай Коперник успел прикоснуться к экземпляру своей только чтоотпечатанной книги. Эта книга – «О вращениях небесных сфер» –подытоживаларезультатыегожизниизнаменоваласобойважнейшийшагв интеллектуальной жизни человечества. Однако умирающий Коперникужеврядлиосознавал,чтопроисходитвокругнегоичтоондержитвсвоихруках. По свидетельству современника Николай Коперник умер от«кровоизлиянияипоследовавшего за нимпараличаправой стороны тела,задолгодоэтоговпаввбеспамятствоипотерявясностьума».

Рис.2.НиколайКоперник(1473–1543)Со школы мы знаем, что Коперник предложил гелиоцентрическую

системумира,тоестьустановил,чтонеСолнцедвижетсявокругЗемли,авсе планеты, включая Землю, обращаются вокруг находящегося в центреСолнца. По сути это правда, но не совсем точно. На самом делегелиоцентрическая модель Солнечной системы вполне серьезнорассматривалась еще в Древней Греции. Например, по свидетельствуАрхимеда еще в III веке дон. э.АристархСамосскийпринимал, что «…неподвижныезвездыиСолнцеостаютсянеподвижными,аЗемлядвижетсявокругСолнцапоокружностикруга, вцентрекотороголежитСолнце…»Коперникузналобэтойидееизсочиненийдревнихавторовиегоосновнойзаслугойявляется то, чтоунегохватило смелостиповерить в реальностьтакой картины мира и довести ее до детальной численной модели,позволяющейпроизводитьрасчетыположенийпланетнанебеснойсфере.На основе новой системы мира Коперник сделал ряд предсказаний(сходство между планетами и Землей, фазы Меркурия и Венеры и др.),которые позднее были блистательно подтверждены Галилеем в ходетелескопическихнаблюдений.

Рис.3.СистемамираКоперникаВпредисловиик«Овращенияхнебесныхсфер»Коперникписал:«…

после того как в течение долгого времени я обдумывал ненадежностьматематическихтрадицийотносительноустановлениядвижениймировыхсфер, я стал досадовать, что у философов не существует никакой болеенадежной теории движений мирового механизма…». Его досада станетвполне понятной, если вспомнить, что в господствовавшей в то времягеоцентрическоймоделимираПтолемея,усовершенствованнойарабскимиастрономами, для описания видимых положений Солнца, Луны и планеттребовалось77кругов.

Чрезмерная сложность (увеличение точности наблюдений все времятребовало увеличения количества используемых кругов – эпициклов идеферентов–дляописаниявидимыхдвиженийпланет)системыПтолемеяпобудила Коперника «перечитать книги всех философов, которые толькомогдостать,желаянайти,невысказывалликогдакто-нибудьмнения,чтоумировых сфер существуют движения, отличные от тех, которыепредполагаютпреподающиевматематическихшколах».И,действительно,уЦицеронаиПлутарха оннашелупоминанияо таких«мнениях».Такимобразом, приняв идею вращения Земли вокруг Солнца, «послемногочисленных и продолжительных наблюдений обнаружил, – пишетКоперник,–чтоеслискруговымдвижениемЗемлисравнитьдвиженияиостальных блуждающих светил и вычислить эти движения для периода

обращения каждого светила, то получатся наблюдаемые у этих светилявления.Крометого,последовательностьивеличинысветил,всесферыидаже само небо окажутся так связанными, что ничего нельзя будетпереставитьнивкакойчасти,непроизведяпутаницывостальныхчастяхивовсейВселенной».

Итак, Николай Коперник перевернул систему мира и переместилчеловека из центра Вселенной на одну из обращающихся вокруг Солнцапланет. Однако в новой картине мира сохранились и многие элементыстаройсистемы.МирКоперника–небесконечнаяВселенная,онвелик,новсе-такиконеченизамкнут.СогласноКопернику,планетыперемещаютсяспомощью вполне материальных кристаллических сфер, причем«наивысшейизвсехявляетсясферанеподвижныхзвезд,содержащаясамоесебяивсеипоэтомунеподвижная».

Парадоксально, но публикация книги Коперника не привлекла в еговремяособоговнимания.Былирезкиенападки(например,МартинЛютерназывал Коперника «спятившим астрологом» и «дураком, жаждущимопрокинутьвсезданиеастрономии»),однакобольшинствосовременниковлибо заняли выжидательную позицию, либо признали, что системаКоперникаимеетопределенныедостоинствакакматематическаясхемадлярасчетаположений светил, ноне более того.ЛишьвначалеXVII века (впервую очередь, в связи с открытиями Галилея) церковь в полной мереосознала революционный характер трудаКоперника, и в 1616 году книга«Овращенияхнебесныхсфер»былавнесенавиндекс запрещенныхкнигримско-католическойцеркви.

Следующий шаг по пути к современной картине мира – удалениесферы неподвижных звезд и рассмотрение бесконечной Вселенной –обычно связывают с именем Джордано Бруно. Итальянский философ ипоэтпрожиляркуюи трагическуюжизнь, закончившуюсяв1600 годунакостре инквизиции. Одним из важнейших достижений Бруно являетсяпропагандаученияКоперникаисозданиекартиныбесконечнойВселенной,заполненной бесчисленными мирами, подобными нашей Солнечнойсистеме. В 1584 году он издал работу «О бесконечности, вселенной имирах»,вкоторойпровозгласил,что«вселеннаянеимеетпределаикрая,но безмерна и бесконечна», «существует подобие между всеми звездами,между всеми мирами и…наша земля имеет такое же соотношение сдругими землями», «на этих мирах обитают живые существа, которыевозделываютих».

ОднакочестьразрушениясферынеподвижныхзвездпринадлежитнеБруно, а другому мыслителю – английскому математику и астроному

ТомасуДиггесу,ставшемупервымпубличнымзащитникомидейКоперникавАнглии.ТомасДиггеснеотноситсякчислуученых,чьиименамызнаемсошкольнойскамьи,идажепрофессиональныеастрономы,какправило,незнают,кемонбыличтоонсделал.ОДиггесенаписанонеоченьмногоипоэтомустоитрассказатьонемиоегозамечательнойсемье,членыкоторойвнесливкладвсамыеразныеобластичеловеческойдеятельности,немногоподробнее.

Томас Диггес (ок. 1546–1595) был сыном известного английскогоматематика Леонарда Диггеса (1520–1559), которого иногда упоминают вкачестве предполагаемого изобретателя теодолита и телескопа. За своюнедолгуюжизньЛеонардДиггесопубликовалнесколькокниг,содержащихсведенияпоматематике,астрономии,метеорологии,геодезии.Этикниги,вотличие от традиции того времени писать о науке на латыни, былинаписаны на английском языке, что обусловило их широкоераспространениеипопулярность.

ТомасДиггесполучилначальноеобразованиеподруководствомотца.После смерти Леонарда (Томасу тогда исполнилось всего четырнадцатьлет)егодальнейшеематематическоеобразованиепрошлоподприсмотромзнаменитого Джона Ди (1527–1608) – доверенного лица королевыЕлизаветы I, придворного астролога, астронома, математика, переводчикатрудов Евклида, картографа, архитектора, навигатора и даже, какпредполагают, секретного агента Британской короны. (Во время войныАнглии с Испанией Джон Ди подписывал свои секретные донесениябританскойкоролеве«007».Двануляобозначали«толькодляВашихглаз»,а цифра семь была загадочным каббалистическим числом. СоздательДжеймса Бонда писатель ЯнФлеминг, в течение многих лет состоявший«насекретнойслужбеЕеВеличества»,несомненно,зналобэтом.)

ВсвоейнаучнойдеятельностиТомасДиггеспошелпостопамотцаи,помимо астрономии и математики, занимался очень широким кругомвопросов – от навигации и топографии до артиллерии и фортификации.ТомаснеоднократнопереиздавалкнигиЛеонардаДиггеса,вносявнихсвоиизменения и дополнения, и поэтому иногда сложно понять, какиерезультатыбылиполученыотцом,акакие–сыном.Одно из главных астрономических достижений Томаса Диггесасвязано со сверхновой 1572 года (SN 1572). Эту сверхновую частоназывают сверхновой Тихо Браге, поскольку после ее обнаружениязнаменитыйдатскийастрономпоегословамсразуже«начализмерятьееположение и расстояния до ближайших звезд Кассиопеи и старательнозамечатьвидимыеглазомхарактеристики–видимыйразмер,форму,цвети

так далее». Кроме того, Тихо Браге оказался единственным астрономом,внимательноотслеживавшимпадениеееблеска[4]напротяжениимногихмесяцев, сравнивая ее сначала с Юпитером, а затем – с более слабымизвездами(рис.4)

Рис. 4. Кривая блеска SN 1572 по визуальным наблюдениямастрономовXVIвека.ВсеизмеренияпослепикаяркостивыполненыТихо Браге. Детальное изучение подобных звезд и их кривых блескапозволиловXXвекеоткрытьускоренноерасширениеВселенной.

Появлениенанебосводе«новой»звезды(вмаксимумеблескаонабыласравнимасВенеройибылавиднадажеднем)вызвалоогромныйинтерес,каксредиастрономов,такисрединаселения.Многиеисследователи(вихчислеучительКеплераМихаилМестлиниДжонДи)пыталисьопределитьее точные координаты и параллакс [5] . Занимался подобныминаблюдениями и Томас Диггес. В 1573 году он опубликовал книгу, вкоторой суммировал результаты своих наблюдений. Используя оченьпростые инструменты вроде «посоха Якова» (две перекрещенные рейки,одна из которых скользит по другой – рис. 5), он измерил угловыерасстояния новой звезды от 6 звезд созвездия Кассиопея. В 1977 годуанглийские астрономы Стефенсон и Кларк сравнили результатыопределения координат SN 1572 Диггесом и Тихо Браге с положениемцентроида остатка вспышки сверхновой. Оказалось, что координаты,полученные обоими исследователями (они, кстати, были ровесниками),

совпадают с положением радиоисточника и оптической туманности наместевзрывасверхновой.Неожиданнымжеоказалосьто,что,несмотрянабольшийразбросиндивидуальныхизмеренийДиггеса,среднееположениесверхновой по его данным оказалось существенно более точным, чем уТихоБраге.Исследователизаключили,что,скореевсего,визмеренияиливобработку данных Тихо вкралась небольшая систематическая ошибка,которойнебылоуДиггеса.

Рис.5.ПосохЯкова(иллюстрацияиз«Практическойнавигации»Джона Селлера, 1672 год). На протяжении многих столетий «посох»оставалсяоднимизосновныхинструментовастрономов.

Помимо координат SN 1572, Томас Диггес попытался оценить и еесуточныйпараллаксиполучил,чтооннепревышаетдвухугловыхминут.Из этого следовало, что звезда находится значительно дальше Луны,параллакскоторойравенпримерно1°.Сходныерезультатыбылиполученыидругимиастрономами (впервуюочередь–ТихоБраге)иониозначали,что, вопреки учениюАристотеля, в мире звезд также могут происходитьбольшиеизменения.

Результаты наблюдений сверхновой позволяют отнести ТомасаДиггеса к одним из самых выдающихся наблюдателей своего времени.Однако самый значительный вклад в астрономиюДиггес внес в качествепопуляризаторасистемыКоперника.В 1576 году он переиздал популярный альманах своего отца«Prognostication Everlastinge», оставив основной текст без изменений, нодобавивнесколькоприложений.Самоеважноеизприложений–эторабота«АPerfitDescriptionof theCaelestiallOrbes,accordingto themostaunciente

doctrine of the Pythagoreans, lately revived by Copernicus and GeometricalDemonstrations approved» (примерный перевод названия – «Совершенноеописание небесных сфер в соответствии с древней доктринойпифагорейцев, возрожденной Коперником, подкрепленноегеометрическимидемонстрациями»).ВэтойнебольшойработеДиггесдаеткраткое изложение книги Коперника и приводит собственную диаграммугелиоцентрическойсистемы(рис.6).КардинальноеотличиеэтойсхемыотрассмотреннойранееКоперником–отсутствиесферынеподвижныхзвезд.Согласно Диггесу, звезды, природу которых он, впрочем, неконкретизирует, находятся от Солнца на разных расстояниях, заполняябесконечноепространство.Любопытно, чтоДиггес не пишет, что это егособственнаядиаграмма,ипоэтомумногиечитателидолжныбылирешить,чтоидеябесконечнойВселеннойтакжепринадлежитКопернику.

Рис.6.СтроениеВселеннойпоТомасуДиггесу(1576год).

Примерныйпереводнадписинадиаграмме:« Эта сфера звезд простирается бесконечно во всех направлениях.Нерушимый дворец счастья украшен бесчисленными, вечными ивеликолепнымиогнями,превосходящиминашеСолнцепоколичествуикачеству и ( он является вместилищем ) беспечальных небесныхангелов, наполненных прекрасной бесконечной радостью, это домэлиты»

Работа Томаса Диггеса, написанная на английском языке,способствовала широкому распространению идей Коперника в Англии.Предполагается,чтоиДжорданоБруно,жившийвАнглиис1583по1585годы,скореевсего,былзнакомскнигойДиггеса.Именноему–ДжорданоБруно–принадлежитследующийшагпопутиксовременнойкартинемира–признаниезвездобъектами,подобныминашемуСолнцу.

Диггес считал, что количество звезд бесконечно, но мы наблюдаемлишь ограниченное их число, поскольку большинство звезд находятсяслишкомдалекоипотомуонислишкомслабыдлянаблюдений:«thegreatestpart restby reasonof theirwonderfulldistance invisibleuntous».Известныйбританский космолог Эдвард Харрисон считает, что тем самым ТомасДиггесоказалсяпервымисследователем,осознавшим,чтотемнотаночногонеба нуждается в объяснении. Предложенное самим Диггесом решениебыло,конечно,неверным,хотяоноиказалосьвеговремяочевидным.

Помимо астрономии Томас Диггес занимался военными иприкладными вопросами, заседал в парламенте, строил гавань и замок вДувре, принимал активное участие в войне Англии с Нидерландами.Оставили след в истории и два сынаДигггеса.Один из них – сэрДадлиДиггес (1583–1639) – стал известным политиком и государственнымдеятелем (в Канаде есть мыс и острова Диггеса, названные в его честьГенри Гудзоном, другом Дадли). Другой сын – Леонард Диггес (1588–1635) – был поэтом и переводчиком, возможно знавшим Шекспира(известныдвастихотворенияЛеонардавпамятьоШекспире).

Заканчивая рассказ о начале истории фотометрического парадокса,хочется упомянуть, чтоимяШекспира связаноне только с сыномТомасаДиггеса,ноиснимсамим.Перваясвязьвполнеочевидна–послесмертиТомасаеговдоваЭннсновавышлазамуж,причемеевторыммужемв1603году стал Томас Рассел, близкий друг Шекспира, назначенный имисполнителем своего завещания (душеприказчиком). Другая связь менееформальна, довольно неожиданна, и она потребует от читателяопределенногочувстваюмора.

В 1996 году американский астрофизик Питер Ашер выдвинул

гипотезу, что ТомасДиггес является прототипом принца Гамлета в пьесеШекспира. Согласно Ашеру, пьеса «Гамлет» в аллегорической формеописывает столкновение четырех различных космологических моделей,известных на рубеже XVI и XVII веков, – геоцентрической системыПтолемея, гелиоцентрической системы Коперника, гелиоцентрическойсистемы,модифицированнойДиггесом(бесконечнаяВселеннаябезсферынеподвижных звезд) и, наконец, компромиссной модели Тихо Браге (этамодельсоединялавсебечертыгео–игелиоцентрическихсистем).

Персонажи «Гамлета» по Ашеру расшифровываются так: Клавдий,король Датский, конечно же, Клавдий Птолемей, и он воплощаетцарствующую,ноужеотжившуюгеоцентрическуюсистему;системаТихоБраге воплощена через Гильденстерна и Розенкранца (это имена предковТихо, изображенные на его портрете, посланном для распространения вАнглию), казнь которых в Англии символизирует гибель этой гибриднойсистемы; сам Гамлет – это, конечно, Томас Диггес. Персонажа,олицетворяющего Коперника, в пьесе нет, но его косвенное присутствиеможнообнаружитьвжеланииГамлетавозвратитьсявВиттенбергнаучебу,причем Клавдий препятствует этому. Ашер объясняет, что университет вВиттенберге(Германия)былоднимизпервыхоплотовкоперниканства(тамработал Ретик – единственный ученик Николая Коперника, оказавшийзначительное содействие в публикации его главного труда). Причина, покоторой Шекспир зашифровал основную тему пьесы – казнь ДжорданоБрунов1600году(«Гамлет»,какпредполагается,былнаписанв1600–1601годах).

В тексте «Гамлета» Ашер находит многочисленные детали,подтверждающие,поегомнению,астрономическуюинтерпретациюпьесы.Например, словами«Обоже, я бымог замкнуться в ореховой скорлупеисчитать себя царем бесконечного пространства, если бы мне не снилисьдурныесны»(пер.М.Лозинского)ГамлетпрямоупоминаетбесконечностьВселенной; в словах Первого могильщика «В писании сказано: «Адамкопал»;какбыонкопал,ничемдляэтогоневооружась?»(«Адамкопал»–воригинальномтексте«Adamdigged»)АшервидитупоминаниеАдомараДиггеса,предкаТомасаДиггесаит.п.И даже более – Ашер полагает, что Шекспир был знаком с ТомасомДиггесом, от которого он узнал о фазах Венеры, лунных кратерах,солнечных пятнах, о многочисленных звездах, невидимых человеческомуглазу. Сам же Томас знал обо всем этом от отца, который, как я ужеупоминал, иногда называется в качестве предполагаемого изобретателятелескопа.ОписаниявсехэтихвидимыхтольковтелескопявленийАшер

тожеусматриваетвтексте«Гамлета»,что,конечно,свидетельствуетскорееоб изобретательности автора гипотезы, чем о реальном подтекстеШекспира:

Янепозвездаммыслюисужу;Хотяяастрономиюизнаю…( В.Шекспир, сонет 14, пер. A.M. Финкеля ) Однако… еще раньше

следыгелиоцентрическойсистемыувиделав«Гамлете»идругойастроном– Сесилия Пейн-Гапошкина. Несомненно, «Гамлет» остается одним изсамыхзагадочныхпроизведениймировойлитературы.

1.4.ОтГалилеядоГаллеяСдругойсторонытелескопа—нукак?Всетоже,всетакже—космическиймрак.

СтаниславЕжиЛец

1609 и 1610 годы были особым временем в истории астрономии инаукивообще.Никогдаещенапамятичеловечествазастолькороткийсрокнебылосовершеностольмногооткрытий.Этиоткрытиябылисделаныспомощью телескопа итальянским физиком и математиком ГалилеоГалилеем, однако не надо забывать и о немецком астрономе ИоганнеКеплере, который в 1609 году опубликовал порвавшее с многовековойтрадицией доказательство того, что планеты обращаются не по круговыморбитам,апоэллипсам.

Рис.7.ИоганнКеплер(1571–1630)иГалилеоГалилей(1564–1642)В начале XVII века в Европе появились первые зрительные трубы.

Историяихизобретенияне вполне яснаи, возможно,первые экземплярытакихинструментовпоявилисьещевконцеXVIвека.Иногдаупоминается,

что первый телескоп был сооружен голландским очковых дел мастеромЗахариемЯнсеном в 1604 году по модели некоего итальянца, на которойбыло написано «аппо 1590». Другой возможный изобретатель – Иоганн(Ханс) Липперсгей, голландский очковый мастер немецкогопроисхождения.

Рис.8.АнриДетуш.«ГалилейидожЛеонардоДонато»(XIXвек)Отом,чтопроизошлолетом1609года,пустьрасскажетсамГалилей:

«…Венецию, гдея тогданаходился,достиглиновости,чтосиньоруграфуМаврицию была представлена одним голландцем оптическая труба, вкоторуюудаленныепредметыбыливидныстольсовершенно,какбудтоонибылисовсемблизко.Большеничеговэтомсообщениидобавленонебыло.Узнав об этом, я вернулся в Падую, где тогда проживал, и началразмышлятьнадэтойзадачей.Впервуюженочьпослемоеговозвращенияяеерешил,инаследующийденьизготовилинструмент,окоемисообщилв Венецию тем же самым друзьям, с которыми предшествующий день ярассуждалосемделе.Япринялсязатемтотчасжезаизготовлениедругого,более совершенного инструмента, который и привезшесть дней спустя вВенецию.Здесьвнегосбольшимудивлениемсмотрелопочтивсевысшеедворянствоэтойреспубликинепрерывновтечениебольшемесяца…».Нарис. 8приведенарепродукциякартиныXIXвека,иллюстрирующая слова

Галилея.Нанейпоказанодинизвечеровавгуста1609года,когдаГалилейдемонстрировалсвоюзрительнуютрубудожуВенеции.

В конце 1609 года Галилео Галилей начал систематическиенаблюдениянебавсвойтелескопиужевмарте1610годаонопубликовалзнаменитый «Звездный вестник» («Sidereus Nuncius»), суммировавшийрезультатыегопервыхисследований.НаЛунеГалилейобнаружилгоры,уЮпитера он открыл 4 спутника (тем самым в системе Юпитера онусмотрел подобие Солнечной системы). Сравнивая телескопическиеизображения звездипланет,Галилейобнаружил, чтоони выглядяточеньпо-разному:звездыосталисьмерцающимиточками,втовремякакпланетыпредстали в виде четко очерченных кружков. Позднее Галилей открылфазыВенеры,пятнанаСолнце,страннуюформуСатурна,связанную,каквыяснилосьпозднее,сегознаменитымикольцами.

Одно из самых известных открытий, описанных в «Звездномвестнике» и имеющихнепосредственное отношение к теме этой книги, –Млечный Путь «является не чем иным, как собранием многочисленныхзвезд, расположенных группами. В какую бы его область ни направитьзрительнуютрубу,сейчасжевзглядупредставляетсягромадноемножествозвезд, многие из которых кажутся достаточно большими и хорошозаметными.Множествожеболеемелкихнеподдаетсяисследованию».

8 апреля 1610 года экземпляр книги Галилея попал в руки ИоганнаКеплера, бывшего в то время придворным математиком императораРудольфа II в Праге. (К сожалению, красиво звучащая должность неприносила Кеплеру особого материального достатка.) А уже к 19 апреляКеплер завершил «Разговор со звездным вестником, недавнониспосланным смертным Галилео Галилеем, падуанским математиком» –своегородаразвернутуюрецензиюнакнигуГалилея.

В своем «Разговоре» Кеплер абсолютно доверяет тому, что увиделГалилейвсвойтелескоп:«Можетбыть,япокажусьслишкомсмелым,еслитак легко поверю твоим утверждениям, не подкрепляясь никакимсобственным опытом. Но почему же мне не верить ученейшемуматематику,оправотекоторогосвидетельствуетсамыйстильегосуждений,который далек от суетности и для стяжения общего признания не будетговорить, что он видел то, чего на самом деле не видел, не колеблясь излюбвикистинепротиворечитьраспространеннейшиммнениям».

КомментируяоткрытиеГалилеемогромногоколичестваслабыхзвезд,Кеплерпишет:«Ты,неколеблясь,утверждаешь,чточисловидимыхзвездпревышает10000.Ночембольшеихичемплотнееонирасполагаютсянанебе, тем правильнее моя аргументация против неограниченности мира,

приведенная в книге «О новой звезде»… Там доказывается, чтонаселенныйлюдьмиуголокмирасСолнцемипланетамизанимаетособоеположение, в силу чего невозможно, чтобы с какой-нибудь неподвижнойзвезды открывалась такая же картина мира, как с нашей Земли или сСолнца». И далее: «Во сколько же раз будут превосходить по своимвидимымразмерамСолнце10000малыхдисков,слитыхвоедино?ЕслиэтоверноиеслитеСолнцатогожерода,чтоинашеСолнце,топочемубыимвсем,взятымвместе,непревосходитьпоблескунашеСолнце?Какможетбыть свет, изливаемый всеми далекими Солнцами на открытыепространства, столь слаб, что наше Солнце, стоит лишь его лучампроникнуть в закрытую комнату через отверстие, проколотое кончикомтонкой иглы, по блеску превосходит неподвижные звезды в том виде, вкакоммывидимихнапочтибезграничномудалениизастенамикомнаты?»

На основе подобной аргументации Кеплер делает вывод, чтомногочисленныезвезды,открытыеГалилеем,гораздослабееСолнца,иначеих суммарныйблеск затмилбыего: «телонашегоСолнцапоблескувнеподдающееся оценке число раз превосходит все неподвижные звезды,вместе взятые» и «…наш мир – не просто один из членов стада,содержащегобесконечномногодругихмиров».

Вселенная Кеплера – это вспышка света в окружающем мраке. Онапредставляет собой сферу неподвижных звезд, в середине которойнаходитсяСолнцесвращающимисявокругнегопланетами.ЭтаВселеннаяконечна–онаокруженасовсехсторонтемнойстеной,которуюмывидимвпросветахмеждузвездами.

Как видно из предыдущего, Кеплер, по сути, сформулировалфотометрический парадокс (бесконечное множество подобных Солнцудалеких звезд должны затмить Солнце) и предложил его решение –Вселенная ограничена в пространстве и содержит конечное количествозвезд.

ВXVII столетии был еще один удивительныйдля науки год.В 1687году Исаак Ньютон опубликовал «Математические начала натуральнойфилософии», заложившие основу так называемой классическойфизики икартинымира,просуществовавшихдоначалаXXвека.Всвоих«Началах»Ньютоннезатрагиваетвопросыкрупномасштабногостроениямира,ничегонепишетиозвездах.ВысказатьсянаэтитемыегоподтолкнулаперепискасмолодымсвященникомРичардомБентлив1692и1693годах.

Преподобный Ричард Бентли (1662–1742), капеллан епископаВорчестерского,обратилсякНьютонуспросьбойответитьнарядвопросовоб устройстве Вселенной. Для такого обращения у Бентли была очень

веская причина – в рамках «Бойлевских чтений» ему было порученопрочестьвЛондоневосемьпубличныхпроповедейвзащитухристианства.Одной из целей этих проповедей было показать, что подтвержденнаятрудами Ньютона гелиоцентрическая астрономия не противоречиттеологическойкартинемира.Бентлибылхорошимтеологомифилологом,но с физикой и математикой знаком был плохо. Поэтому он написалНьютону–ктокакнеНьютонбылсамымбольшимавторитетомввопросах«натурфилософии»вАнглии?–иНьютонемуохотноответил.В своих письмах (всего их было четыре) Ньютон рассмотрел случаиконечнойибесконечнойВселенных,вкоторыхдействуетзаконвсемирноготяготения.ВслучаеограниченногообъемаВселеннойвсесоставляющиееетелаподдействиемвзаимногопритяженияраноилипозднодолжныбылибы слиться в «одну гигантскую сферическую массу». Этого нет,следовательно,Вселеннаябесконечна.

Рис.9.ИсаакНьютон(1643–1727)Вбесконечномпространствецентровконденсациибудетбесконечное

множествоиименнотакимобразомдолжныбылиобразоватьсяСолнцеидругиебесчисленныезвезды.ВбесконечнойВселеннойналюбуюзвездускаждой из сторон действует бесконечная сила, эти силы уравновешиваютдругдругаизвездаостаетсявпокое.ОднакотакаяВселеннаядолжнабытьнеустойчива, так как малейшее нарушение взаимных расстояний междузвездамидолжнопривестиктому,чтоfixaestellae(«неподвижныезвезды»)

начнутдвигаться.Ньютонбылуверен,чтозвездынедвигаются–этобылодин из основных наблюдательных фактов астрономии со временантичности,–ипоэтомуемупришлосьпривлечьвнешнююорганизующуюсилу – божественную. Как сказал Ньютон Дэвиду Грегори, «непрерывносвершающееся чудо требуется для того, чтобы предотвратить падениеСолнцаинеподвижныхзвезддругнадругаподдействиемгравитации».

Таким образом, Ньютон рассмотрел то, что обычно называют«гравитационнымпарадоксом»вбесконечнойВселеннойипредложилегорешение.Несомненно,ондолженбылзадумыватьсяиофотометрическомпарадоксе, ведь каждая звезда влияет на все окружающее не толькогравитационнымпритяжением,ноиизлученнымсветом.Освещенностьотзвездыуменьшается,какигравитация,обратнопропорциональноквадратурасстояния, вкладыот звезд суммируютсяив каждойточкепространстваосвещенностьскаждогоизнаправленийдолжнабытьбесконечной (какигравитационное притяжение). Однако освещенности, в отличие отгравитации, не компенсируют друг друга, а суммируются. Что думал обэтом Ньютон, неизвестно. Возможно, он столкнулся с необходимостьюдопуститьещеоднонепрерывносовершающееся«чудо».Первым человеком, кто привлек математику для решения проблемытемнотыночногонеба,былдругНьютонаанглийскийастроном,математики геофизик Эдмонд Галлей. Надо заметить, что Ньютон отличалсядовольнонеуживчивымнравом,иГаллейбылоднимизнемногихдрузей,сохранявшим с ним хорошие отношения на протяжении несколькихдесятилетий. Эдмонд Галлей, чье имя обычно помнят только из-за яркойкометы, орбиту которой он рассчитал и предсказал ее возвращение кСолнцув1758году (кометаГаллея),внесбольшойвкладвсамыеразныеобласти – например, он открыл собственные движения звезд, составилпервыйкаталогзвездюжногонеба, заложилосновыгеофизикиинаучнойдемографии.НеменееважнойзаслугойГаллеяпереднаукойявляетсяито,что он убедил Ньютона написать «Математические начала натуральнойфилософии», выполнил всю редакторскую работу и издал книгу за свойсчет.

Рис.10.ЭдмондГаллей(1656–1742)Как ни странно, можно, по-видимому, назвать точную дату, когда

Галлей заинтересовался проблемой ночного неба. Скорее всего, этопроизошло утром 23 февраля 1721 года во время совместного завтракаНьютона, Галлея и Вильяма Стакли (1687–1765) (английского археолога,одногоизпервыхисследователейСтоунхенджа).Разговорзазавтракомшелна астрономические темы и Стакли скорее всего упомянул своисоображенияотом,чтозвездыраспределенывпространственеоднородно,как это требуется по космологии Ньютона, а в виде «гигантскогомеридиана»,делящегобесконечноепространствонадвечасти.Еслибыэтобылонетак,то,согласноСтакли,всенебодолжнобылобыбытьстольжеяркимкакМлечныйПуть.

Эта беседа, вероятно, подтолкнула Галлея к собственнымразмышлениям и всего через две недели после этого завтрака – 9 марта1721года–онпредставилназаседанииКоролевскогообществастатью«Обесконечностисферынеподвижныхзвезд»,вкоторойГаллейупомянул,неназываяегопоимени,иаргументациюСтакли.Вскоре–16марта–Галлейзачитал и вторую небольшую работу («О числе, порядке и светенеподвижныхзвезд»)натужетему.

В своих работах Галлей сначала приводит аргументы в поддержкутого, что система звезд бесконечна: чем более мощный телескописпользуетсяпринаблюдениях,тембольшезвездвнеговидно;крометого,еслисистема звездконечна, то звездыподдействиемгравитациидолжныбылисжатьсявединыйобъектвцентре (аргумент,использованныйранее

Ньютоном).ЗатемГаллейобсуждаетдвавозраженияпротивбесконечностиВселенной.Одноизнихчистотерминологическое,авторое–это,посути,возражение Стакли, которое перекликается и с мнением Кеплера (см.ранее).Для того, чтобы преодолеть это затруднение, Галлей вводит идеюконцентрических слоев одинаковой толщины (рис. 1), подсчитываетколичествозвездвслоеисоздаваемуюкаждойизэтихзвездосвещенностьпо мере увеличения радиуса. Добравшись до звезд сотого слоя,освещенность от каждой из которых в 10 000 меньше, чем от звезды впервом слое, он заключает, что эта освещенность столь мала, чточеловеческийглаздажевтелескоппростонеувидитэтихзвезд.

Следовательно, для решения фотометрического парадокса Галлейиспользуеттотжеаргумент,чтоиТомасДиггесзаполторастолетиядонего– далекие звезды слишком слабы, чтобы быть увиденными. Галлей недогадалсяпросуммироватьвкладдалекихзвездиубедиться,чтоимнельзяпренебречь. (Как видно из формулы (2), вклад каждого слоя одинаковойтолщины одинаков – падение освещенностей от индивидуальных звездточнокомпенсируетсяувеличениемихчисла).

ЖурналКоролевскогообществазафиксировалещеодиндоводГаллея,сводящийся к тому, что освещенность от далеких звезд спадает быстрее,чемпозаконуобратныхквадратов(см.формулу(1)впараграфе1.2):«светнеделитсядобесконечностии, следовательно, когда звездынаходятсянаоченьбольшихрасстояниях,ихизлучениеслабеетбыстрее,чемпообщемуправилу». Это предположение может решить фотометрический парадокс,нооно,конечно,неверно.

НьютонпредседательствовалназаседанияхКоролевскогообществавовремя выступлений Галлея, однако его реакция на результаты Галлеяосталась неизвестной. Возможно, пожилой Ньютон просто проспалвыступления своего друга, что, судя по воспоминаниям современников, снимнередкослучалосьнаразныхзаседаниях.

ЗаметкиГаллеябылиопубликованывжурналеКоролевскогообщества«Philosophical Transactions» и, по-видимому, они стимулировали работушвейцарского астронома и физикаШезо, который в 1744 году выполнилпервыйкорректныйматематическийанализпарадокса.

1.5.ШезоиОльберсПустотачудовищновместительна.

СтаниславЕжиЛец

Жан-Филипп Луи де Шезо родился вблизи Лозанны в семьеобеспеченного землевладельца. Он очень рано проявил интерес кастрономииипостроилсобственнуюобсерваторию,оборудованнуюпаройнебольших телескопов. Ранние работыШезо по физике распространениязвука, о торможении пушечных ядер воздухом и пр. привлекли к немуширокое внимание, и российская императрица Елизавета Петровна дажеприглашалаегонаработувСанкт-Петербург.ПопричинеслабогоздоровьяШезонесмогвоспользоватьсяэтимпредложением.

Вдекабре1743годаШезооткрылкомету(практическиодновременноона была также обнаружена датчанином Дирком Клинкенбергом) инаблюдалеедомарта1744года.Кометабылаоченьяркой,ярчеЮпитера,ив одну из ночей продемонстрировала целых 6 хвостов. Через несколькомесяцевпослеисчезновениякометыШезоопубликовалонейкнигу.Книгасодержала восемь приложений, посвященных разным вопросамастрономии.Второе приложение – «О силе света, его прохождении черезэфир и расстоянии до неподвижных звезд» – содержало математическийанализзагадкиночногонеба.

Рис. 11. Жан-Филипп Луи де Шезо (1718–1751) и ГенрихВильгельмОльберс(1758–1840)

Анализ Шезо был, по сути, эквивалентен приведенному ранее впараграфе 1.2 этой книги. Так же как и Галлей, Шезо рассматриваетокружающие Солнце концентрические слои одинаковой толщины и впредположенииоднородногораспределениязвездвпространственаходит,чтоосвещенностьоткаждогослояодинакова.Еслизвездноепространствобесконечно или даже просто очень велико, то любой участок небеснойсферы должен сиять как Солнце (он предположил, что все звезды поразмерамипосветимостиподобныСолнцу),посколькузвездыперекроютсвоимивидимымидискамивесьнебосвод.Шезооценил,чтовсядоступнаянаблюдениям полусфера в этом случае должна сиять в 91 850 раз ярчеСолнца. (Эта оценка примерно равна отношению площади полусферы кплощадисолнечногодиска.)

«Громадное несоответствие между этим заключением и опытомсвидетельствует,чтолибосферанеподвижныхзвезднебесконечна…,либоосвещенность спадает быстрее, чем по закону обратных квадратов», –пишетШезо. Он считает, что второе допущение более правдоподобно ипредполагает, что межзвездное пространство может быть заполненоразреженной средой, задерживающей излучение звезд. Он полагает, чтодаже ничтожное поглощение в межзвездной среде, постепеннонакапливаясь, может объяснить темноту ночного неба. Решение,предложенное Шезо, выглядит правдоподобно, но, как будет показано,

далее, неверно – межзвездное поглощение не может решитьфотометрическийпарадокс.

В работеШезо содержатся еще два примечательных результата. Во-первых, он оказался одним из первых исследователей, правильнооценивших масштаб межзвездных расстояний. Этой задачей пыталисьзаниматься многие (например, Гук, Пикар, Флемстид, Брадлей, ВильямГершель и другие), однако прямая оценка расстояний методом годичногопараллакса из-за несовершенства используемых инструментов и методовобработкинедаваларезультатоввплотьдоXIXвека.

Вкачествеальтернативногои,конечно,оченьгрубогоподходаможноиспользоватьвидимыйблескзвездывсравнениисСолнцем.Еслисчитать,что все звезды, включая Солнце, имеют одинаковую светимость, то,сравнивая освещенности от какой-либо звезды и от Солнца, можнооценить,восколькораззвездадальшеотнас,чемСолнце.Используяэтотметод,голландскийфизик,математикиастрономХристианГюйгенс(1629–1695)оценил,чтоСириуснаходитсяв28000раздальшеСолнца,тоестьнарасстоянииоколо0.14пк[6].

Для того, чтобы получить этот результат, Гюйгенсу пришлосьсравнивать яркость освещенного Солнцем отверстия в темной комнате своспоминаниемояркостиСириусаночью.Естественно,сделатьэтооченьсложно, что и привело к заниженному почти в 20 раз расстоянию(расстояниедоСириусаравно2.7пкили8.7световыхлет).ЭтотрезультатГюйгенсабылопубликованужепослеегосмерти–в1698году.

Однакоещераньше–в1668году–шотландскийматематик,астрономи оптик Джеймс Грегори (1638–1675) опубликовал замечательнуюмодификациюфотометрическогометода.Грегорипредложилнесравниватьяркости звезд иСолнца, что на практике очень сложно, а использовать вкачествепромежуточногостандартаяркостьпланет.Сутьегометодаоченьпроста – ночью можно сравнить яркость какой-либо звезды с яркостьювнешней планеты (Марса, Юпитера, Сатурна), а затем, зная расстояниеэтойпланетыотСолнцаиееугловойдиаметр,можнорассчитатьееяркостьпо сравнению с яркостью Солнца (предполагая, конечно, что планетасветит отраженным светом и задавая определенный коэффициентотражения). Применив этот метод к Сириусу, и используя наблюденияСатурна, Грегори получил, что эта звезда находится в 80000 раз дальшеСолнца – результат гораздо лучший, чем у Гюйгенса, хотя все ещесущественнозаниженный.

Во второй части работы о фотометрическом парадоксе ШезоиспользуетметодГрегоридляопределениярасстоянийдоярчайшихзвезд

(СириусаиРегула)наосновесравненияихблескасСатурном,ЮпитеромиМарсом.Онзаключает,чторасстояниедоярчайшихзвездпримернов240000разпревышаетрасстояниеотЗемлидоСолнца.Этаоценкасоставляетоколо 4 световых лет или чуть больше 1 пк. Учитывая грубостьиспользуемогометода,результатможнопризнатьпростопревосходным!

Однако Шезо не был первым человеком, правильно оценившиммасштаб межзвездных расстояний. Как оказалось, это было сделаноИсаакомНьютономв«Demundisystemate»(«Системамира»)–дополнениик «Началам», написанном еще в 1680-х годах и опубликованном в 1728году,ужепослеегосмерти.ВэтойработеНьютонметодомГрегоринашел,что расстояние до звезд первой величины примерно в 100 000 разпревышаетрасстояниеотСатурнадоСолнца, что составляет~ 1 000000астрономическихединиц(4.8пк)[7].

Еще один интересный результат небольшой работы Шезо офотометрическом парадоксе – корректная математическая оценкадоступной наблюдениям областиВселенной. Если предположить, что всезвезды подобны Солнцу и что они равномерно распределены впространстве со средним взаимным расстоянием 4 световых года, то впределахсферырадиусом3×1015световыхлет звездыперекроютсвоимидисками всю небесную сферу. Свет от более далеких звезд будетэкранировандискамиболееблизкихобъектовивнешняячастьВселеннойостанетсяненаблюдаемой.

Британский космолог Эдвард Харрисон считает, что, возможно,именно огромность, несоизмеримость этихмасштабовмогла подтолкнутьШезо к идее межзвездного поглощения – ведь даже ничтожнаянепрозрачность межзвездной среды на столь больших расстоянияхспособнаполностьюскрытьдалекиеобъектыи,темсамым,сделатьночноенеботемным.

Следующийисследователь,внесшийвкладвисследованиепарадокса,названногопозднееегоименем,–этонемецкийврачиастроном-любительГенрих Ольберс. Ольберс был дипломированным медиком, но, горячоувлекаясьастрономией,онвтечениемногихлетсочеталобазанятия.Днемон был солидным бременским врачом, а ночью проводил наблюдения вчастной обсерватории на верхнем этаже собственного дома. Лишь послесмертидочериивторойженыоноставилврачебнуюпрактикуис1820годаполностью посвятил себя астрономии. В биографическом очерке,включенном в книгу С. Ньюкомба и Р. Энгельмана «Астрономия вобщепонятномизложении» (опубликованана русском языке в 1896 году),об Ольберсе было написано так: «Едва ли можно назвать другого

любителя,которомуастрономиябылабытакмногообязана,какОльберсу;и мало было специалистов по астрономии, которые обладали стольобширнымипознаниямивней,какэтотлюбитель».

Основные результаты Ольберса посвящены наблюдениям комет (оноткрылих7штук)ирасчетамихорбит(имразработанметодопределенияорбит комет по трем наблюдениям). В 1802 году Ольберс переоткрылпервуюмалуюпланету (Цереру) [8] , котораявскорепосле ееоткрытияв1801годуитальянскимастрономомПиаццибылапотеряна.Втомже1802году он открыл вторую малую планету (Палладу), а в 1807 – четвертую(Весту).

В1823году,почтичерез80летпослеработыШезо,ГенрихОльберсопубликовал статью «О прозрачности пространства». В своей статьеОльберс анализирует фотометрический парадокс – более пространно и вболеекачественномстилепо сравнениюс краткимизложениемШезо–ипредполагает, что учет поглощения света далеких звезд в межзвездномпространствеможетрешитьэтупроблему.

Изложение Ольберса в целом оригинально и вводит в обсуждениепарадоксанескольконовыхидей.Например,Ольберсдопускает,чтозвездыне обязательно должны быть однородно распределены в пространстве, амогут группироваться в системы, подобные Млечному Пути, то есть вгалактики.Такоескучиваниенеизбавляетотпарадокса,посколькулюбойлучзрениявсеравнораноилипозднодолженуперетьсявдисккакой-либозвезды. Ольберс считает, что полная прозрачность межзвездногопространства «в высокой степени невероятна» и обосновываетсуществование поглощающей среды тем, что вещество кометных хвостоврассеивается, пополняя окружающее пространство, а такжесуществованиемзодиакальногосвета. (Строго говоря, это говоритлишьомежпланетнойсреде,ноотсюдаужеодиншагдопризнаниясуществованияимежзвездноговещества.)

Любопытен «научно-фантастический» пассаж Ольберса о том, чтодажевслучае,еслибывсянебеснаясферасиялакакповерхностьСолнца,можно было бы вообразить живые организмы, приспособившиеся и ктакимэкстремальнымусловиям.Онотмечает,чтоастрономияуразумныхсуществ такой планеты находилась бы в примитивном состоянии –обитателямничегонебылобыизвестноозвездах,осуществованииСолнцаможнобылобыузнатьлишьпонаблюдениямегопятен,аЛунаипланетыобнаруживались бы лишь как темные пятна на сверкающем фоне.(Соображения Ольберса отчасти перекликаются с высказанными в п. 1.1этойкниги.)

В своей статье Ольберс цитирует Галлея, но ни разу не упоминаетработу Шезо. Знал ли он о ней, и повлияла ли она как-нибудь на егособственную работу? Вопрос не праздный, поскольку подходОльберса ипредложенноеимрешениефотометрическогопарадоксавцеломпохожинато, что сделал Шезо задолго до него. Кроме того, оказалось, что вбиблиотекеОльберсабылакнигаШезо1744года,посвященнаязнаменитойшестихвостойкомете,вприложенииккоторойШезоописалсвоерешениефотометрическогопарадокса.Более того,Ольберс, несомненно, читал этукнигу– американскийисторик астрономииСтенлиЯкиобнаружил, что взаписных книжках, относящихся к 1782–96 годам, Ольберс тщательнозаконспектировал часть книги Шезо, в которой тот описываетпредложенныйимметодопределениякометныхорбит.

Так чтоже произошло?Яки, да и не только он, считает, что речь неможетидтиоплагиате,посколькуэтовсильнейшейстепенипротиворечиттому,чтоизвестнообОльберсе,оегохарактереинаучныхработах.Скореевсего, к 1823 году, когда Ольберс написал свою статью, он забыл илиполузабыл о короткой заметке Шезо, которую он, возможно, читалтридцатьилисороклетназадвпоискахинформацииостольлюбимыхимкометах. Как полагает Эдвард Харрисон, люди забывают об источникахсвоихидейгораздочаще,чемобычносчитают.

Какова дальнейшая судьба идеи Шезо и Ольберса о межзвездномпоглощениикаковозможномрешениифотометрическогопарадокса?Идеяэта,конечно,неверна,посколькувзаполненнойзвездамибезграничнойивечнойВселеннойсамопоглощающеевещество (межзвезднаяпыльигаз)начнет нагреваться до тех пор, пока не установится тепловое равновесиемежду поглощающей средой и излучением звезд, а тогда среда станетизлучать столько же, сколько поглотит. Первым это понял, по-видимому,английский астроном Джон Гершель (1792–1871), знаменитый сын ещеболеезнаменитогоотца–ВильямаГершеля(1738–1822).

В 1848 году Джон Гершель опубликовал рецензию на недавнопоявившийсяпервыйтом«Космоса»АлександрафонГумбольдта.Гершельупоминает Ольберса и идею поглощения света, а затем пишет, что,действительно, свет легко поглощается, однако поглощенный светнагревает поглощающуюматериюи она должна начать излучать, отдаваячерез излучение столько же энергии, сколько поглотила. Гершельиспользовалнемногодругиеслова,носутьегокомментарияименновэтом.Очень примечательно, что это было написано тогда, когда недавнооткрытый закон сохранения энергии еще не стал широко известным иобщепринятым.

Джон Гершель предложил и свой вариант решения фотометрическогопарадокса. Будучи наблюдателем, он был уверен, что в некоторыхнаправлениях на небе он и в самом деле видит пустое пространство запределаминашейзвезднойсистемы.Сдругойстороны,онимелхорошуюматематическую подготовку и догадывался, что можно придумать такоепространственное распределение объектов, что даже при бесконечномчисле звезд ночное небо будет оставаться темным: «…легко представитьустройство вселенной, которая будет оставаться в точном смысле словабесконечной,ивкоторойпроизвольноеколичестволучейзрениянебудутпересекаться со звездами». Гершель коротко описал такое устройство –звезды распределены самоподобным образом на всех уровнях, – то, чтопозднеесталиназыватьиерархическимилифрактальнымраспределением.Идея иерархического строения Вселенной позднее развивалась многимиисследователями – например, Ричардом Проктором, Карлом Шарлье,Фурнье д’Альбе. Эта идея, действительна, способна решитьфотометрический парадокс, однако она противоречит наблюдаемой набольших масштабах однородности нашей Вселенной (см. следующуюглаву).

1.6.ДинамическаяВселеннаяЭдгараПоНаука!ты–дитяСедыхВремен!Меняявсевниманьемглазпрозрачных,Зачемтревожишьтыпоэтасон,Окоршун!крыльячьи–взмахистинмрачных!

ЭдгарПо

Появление имени знаменитого поэта, писателя, классика иродоначальника сразу нескольких жанров литературы, может показатьсястраннымвкнигепоастрономии.Однакочтонебылостраннымвжизниэтогочеловека?

ЭдгарАлланПо рано остался без родителей и воспитывался в домебогатого коммерсанта из Ричмонда Джона Аллана. Вместе с приемнойсемьейЭдгарПопятьлетпрожилвАнглии,гдеучилсявдорогомпансионевЛондоне.ПослевозвращенияАллановвСШАЭдгарзакончилколледжвРичмонде, в 1826 году поступил в недавно открытыйУниверситетштатаВирджиния. Проучился в университете лишь год, вынужден был егобросить, записался добровольцем в армию, пытался закончить элитнуювоенную академию в Вест-Пойнте, но был отчислен. Дальше – работа внесколькихжурналах,богемнаяжизнь,личныеисемейныедрамы,нервноеперенапряжение,болезни,запои,инафоневсегоэтого–многочисленныестихи,рассказы,новеллы…Исмертьв40летвунизительнойбедностиигорячечном бреду. Биография, разительнейшим образом отличающаяся отжизниостальныхгероевэтойкниги.

Рис.12.ДагерротипЭдгараАлланаПо(1809–1849),изготовленныйнезадолгодосмертипоэта.

Парадоксально, что именно этот парадоксальный человек предложилпервоеправильное,хотяикачественное,решениезагадкитемнотыночногонеба. Даже более – Эдгара По можно назвать, пусть и с некоторойнатяжкой,однимизидейныхпредшественниковсовременнойкосмологиивцелом. Это не было случайностью – он очень интересовался наукой и, вособенности, астрономией, изучал книги классиковфизикии астрономии(например, Ньютона, Лапласа, Вильяма и Джона Гершелей, Гумбольдта).КогдаЭдгарубыло16лет,опекунподарилемумаленькийтелескопиЭдгарПонаблюдалвнегоЛунуизвезды.

Рассказ «Необыкновенное приключение некоего Ганса Пфааля»(опубликованв1835году)попризнаниюсамогоЭдгараПобылвдохновлен«Курсом астрономии» Джона Гершеля, американское издание котороговышло лишь годом ранее.Открываем это рассказ и находим в неммассунаучной информации – параметры лунной орбиты, детальное описаниевидаЗемлиизкосмоса,сведенияокометахизодиакальномсвете,ссылкинавеликихученыхпрошлого.ЭдгарПотакстаралсяубедитьчитателейвподлинности фантастического путешествия на воздушномшаре на Луну,чтопревратил свойрассказпочти внаучно-популярный астрономическийочерк.

3февраля1848годаЭдгарПовыступилвОбщественнойбиблиотекеНью-Йоркаслекцией«ОкосмогонииВселенной».Аншлаганебыло–на

лекцию пришло около 60 слушателей, большинству из которых лекцияпоказалась скучной, затянутой и малопонятной. Затем По переработаллекцию и в том же году тиражом в 500 экземпляров выпустил еерасширенную версию под названием «Эврика. Поэма в прозе» (По хотелнапечатать50000экземпляров,издательуменьшилтиражвстораз).ЭдгарПо считал, что этой поэмой он «революционизирует мир физических иметафизических наук». Революции не произошло – «Эврика» на многиегодыоказаласьзабытойинаразвитиенаукионаужточноникакоговлиянияне оказала. По словам Эдварда Харрисона, «ее наука была слишкомметафизической,аееметафизика–слишкомнаучной».

Срединемногочисленныхчитателей«Эврики», высокооценившихеесодержание, были в основном поэты – например, Шарль Бодлер (авторфранцузскогоперевода),ПольВалери,КонстантинБальмонт, переведшийпоэму на русский язык. Дочь знаменитого французского поэта ТеофиляГотье–ЮдитГотье–в1864году(ейбылотогдатолько15лет!)написалаотолько что вышедшей на французском языке «Эврике»: «Было быошибочно думать, чтоЭдгарПо, создавая «Эврику», ставил своей цельютолько написать поэму; он был абсолютно убежден, что открыл великийсекретВселенной,иониспользовалвсюмощьсвоеготалантадляразвитиясвоейидеи».

Рассмотрим нарисованную в «Эврике» картину Вселенной (всепоследующие цитаты взяты из перевода К. Бальмонта). Согласно По,пространствобесконечно, а«звезднаяВселенная»или«Вселенная звезд»,тоестьзаполненнаяматериейчастьбесконечногопространства,конечнавовремени и в пространстве. В этой бесконечной «метавселенной» нашаВселенная не единственна —»существует некая беспредельнаяпоследовательностьВселенных,болееилименееподобныхтой,окотороймы имеем осведомленность…» Каждая из этих Вселенных имеет своисобственные законы, и эти Вселенные никак друг с другом невзаимодействуют–«неимеядоливнашемпроисхождении,онинеимеютдоли в наших законах. Ни они не притягивают нас, ни мы их…Междуними и нами… нет влияний взаимных…» (Нарисованная Эдгаром Покартина очень напоминает современную концепцию Мультивселенной(Multiverse)–см.следующуюглаву.)

Что представляет собой наша «Вселенная звезд»? «Телескопическиенаблюдения, руководимые законами перспективы, дозволяют намустановить, что постижимая Вселенная существует как гроздь гроздей,неправильнорасположенных.«Гроздья»,изкоторыхэтавселенская«гроздьгроздей»состоит,сутьпростото,чтомыобычноопределяемкак«звездные

туманности» – и из этих звездотуманностей одна есть верховнейшейзавлекательности для человечества. Я разумею Светомлечность, илиМлечный Путь.» (Слово «гроздь», использованное Бальмонтом припереводе,отчастисбиваетстолку.ВоригиналеЭдгарПоиспользуетслова«cluster» и «cluster of clusters», что более правильно перевести словами«скопление» и «скопление скоплений».) Сам Млечный Путь – это«чечевицеобразныйзвездоостров,илисобраниезвезд».Вкачествеоценкирасстояний до ближайших галактик По, ссылаясь на Вильяма Гершеля,приводит величину 3 миллиона световых лет (~1 Мпк). Кроме того, онупоминаетогалактиках,светоткоторыхидетдонас«миллионвеков»,тоесть расстояние до них составляет ~30 Мпк. Следовательно, доступнаянаблюдениям «звездная Вселенная» по Эдгару По представляет собойгигантскоескоплениеподобныхМлечномуПутигалактик.

«Звездная Вселенная» конечна. Обосновывая это, Эдгар По пишет:«Еслибынепрерывностьзвездбылабесконечна,тогдабызаднееполенебаявлялонамединообразнуюсветящесть,подобнуюисходящейотМлечногоПути,–ибобезусловнонебылобыточки,навсемэтомзаднемполе,гденесуществовало бы звезды. Единственный способ поэтому, при такомположении вещей, понять пустоты, что открывают наши телескопы вбесчисленных направлениях, предположить, что рассеяние от незримогозаднегофонатакнесметно,чтониодинеголучдоселесовершеннонемогнасдостигнуть».Перваяфразаизэтойцитаты–этократкаяформулировкафотометрическогопарадоксадлябесконечнойивечнойВселенной.Втораяфраза искажена переводом Бальмонта: в оригинале написано не«рассеяние», a «distance», то есть «расстояние». С учетом поправки, этопредложение дает возможное решение парадокса –Вселенная конечна вовремениипоэтомусветотсамыхдалекихзвезддонасещенедошел.

Как возникла и как эволюционирует «звездная Вселенная»? ЗдесьЭдгар По вступает в область метафизики. Основной принцип, вводимыйПо,–этопервичное«Единство»вещества.Гравитационноепритяжение–это проявление универсальной тенденции материи к возвращению вЕдинство: «каждый атом притягивает всякий другой атом». В состоянииЕдинства вещество находится в виде созданной Богом «ПервичнойЧастицы». «Из одной частицы, как из центра, предположим, сферическиизлучается по всем направлениям – на безмерные, но еще определенныерасстояниявпервоначальнопустомпространстве–известное,невыразимобольшое, однако же ограниченное число невообразимых, однако же небесконечномалыхатомов».Причиной«излучения»веществаизПервичнойЧастицы является вводимая Эдгаром По сила отталкивания. Сила

отталкивания действует лишь конечное время – после завершения фазыразлета Вселенная начинает сжиматься под влиянием универсальногостремлениявеществакЕдинству,тоестьподдействиемгравитации.

Притяжение и отталкивание – единственные силы, действующие воВселеннойЭдгараПо:«Несуществуетдругихоснов.Всеявлениясводимык одному или другому или к сочетанию обоих». Именно наличие двухпротивоборствующих сил позволяет Вселенной эволюционировать. Безотталкивания вещество замкнулось бы в первичном Единстве, впервочастице, а без притяжения вещество рассеялось бы в бесконечномпространстве. Как отмечает известный итальянский астроном АльбертоКаппи,двесилыЭдгараПозаставляютвспомнитьокосмологииЭмпедокла(Vвекдон.э.)–осилах«любви»и«вражды»,управляющихВселенной,однакоуЭдгараПоэтисилы–физические,описываемыематематическимизаконами.

ЭдгарПопишет,чтовбольшихмасштабахраспределениевеществавоВселеннойоднородно.Этаоднородностьпротиворечитпредставлениюободнородном «излучении» вещества, поскольку тогда вблизи центра этогоизлучения плотность вещества должна быть выше, чем вдали. Далее Поставитвопросотом,какимдолженбытьзакон«излучения»длятого,чтобысохранялась крупномасштабная однородность в расширяющейсяВселенной и находит ответ – «сила излучения была прямопропорциональна квадратам расстояний» (F∝ r2), где под расстояниемпонимается расстояние до конкретного слоя в момент максимальногоразлета. Таким образом, вещество выбрасывалось изПервичнойЧастицыпоследовательными сферическими слоями, причем каждый следующийслойсодержалвсеменьшеименьшеатомов,былвыброшенподдействиемменьшейсилы(«числоатомовкаждогослоясутьмерасилы,скоторойонибыли устремлены») и, соответственно, удалился на меньшее расстояние.Эдгар По также приводит связь между силой, с которой был выброшенслой ( F ), и числом атомов в нем ( N ): F ∝ N . (Как было показаноАльберто Каппи, механизм «Большого взрыва» Эдгара По неточен –однородноераспределениеможетбытьполученолишьприF∝√N).

Вконцестадииразлета(вэтовремявеществосуществуетлишьввидерассеянныхатомов,иникакихобъектоввоВселеннойещенет)наступаетвремя, когда не существует никаких законов динамики. На смену этомувремени приходит эпоха физической Вселенной, когда начинает работатьтяготение, являющеесяпроявлениемстремлениявеществаквозвращениювЕдинство.СилыотталкиванияипритяженияпоЭдгаруПосимметричны—они подчиняются обратным законам: поскольку «сила излучения была

прямопропорциональнаквадратамрасстояний»,то«законвозвратабудетвточности обратным закону исхода» (F∝ r- 2). Идея, несомненно, оченькрасивая, но, к сожалению, неверная, поскольку введенная Эдгарам По«силаизлучения»неможетобеспечитьтребуемоесамимжеПооднородноераспределениевещества.

Далее, на фоне глобального сжатия под действием гравитации, воВселеннойначинаютобразовыватьсяобъекты,возникающиеизнебольших,как мы бы сейчас сказали, флуктуации плотности. Причинойсуществования этих флуктуации являются атомы разной формы,первоначально однородно разбросанные в пространстве. В качествемеханизма формирования звезд и планет Эдгар По принимает гипотезуЛапласаобихсовместномобразованииизвращающегосяисжимающегосяпротозвездного облака. Эпоха формирования звезд и галактик давнозакончилась и наблюдаемое в настоящее время разнообразие«звездотуманностей» отражает не их разный эволюционный статус внастоящее время, а то, что они находятся от нас на очень разныхрасстояниях,ииз-законечностискоростираспространениясветамывидимихтакими,какимионибылиоченьдавно.

Почему наша Вселенная столь велика? Для ответа на этот вопросЭдгар По использует соображения, перекликающиеся с так называемымантропным принципом (см. следующую главу): «…Пространство иДлительность суть одно. Чтобы Вселенная могла длиться в течениелетоисчисления…былонеобходимо,чтобыизначальноерассеяниеатомовбылосделанонатакуюнепостижимуюраспространенность,толькобынебытьбесконечным.Требовалось, словом, чтобы звездымогли собраться взримостьиз незримой туманности…ипотомпоседеть, давая рождениеисмертьнесказанномногочисленнымисложнымразличностямжизненногоразвития; требовалось, чтобы звезды сделали все это, чтобы они имеливремя целиком выполнить все эти Божественные замыслы…». Другимисловами, Вселенная имеет большой размер и, соответственно, большойвозраст, поскольку в противном случае наблюдаемое разнообразиеобъектов и, возможно, жизнь просто не успели бы в ней возникнуть.ПрошлоболеесталетиамериканскийфизикРобертДикке,незнаяобэтихрассуждениях Эдгара По, независимо развил сходные соображения дляобъяснениявозрастаВселенной.

Какова конечная судьба сжимающейся «звездной Вселенной»?Планеты рано или поздно будут поглощены звездами, звезды сольютсямежду собой, сольются галактики, и в итоге образуется «единыйестественныйшаршаров»,которыйвсвоюочередь«мгновенноисчезнет»,

аннигилирует. Фантазия Эдгара По идет дальше и он допускаетвозможностьциклическогосуществованияВселенной:«Нодолжнылимыздесь остановиться? Нет. Во Всемирном сцеплении и растворении могутвозникнуть… некие новые и быть может совершенно отличествующиерядыусловий–другоемирозданиеиизлучение…Ведянашевоображениеэтим всепревозмогающим законом законов, законом периодичности… невполнелимыоправданы,допускаяверование–скажемлучше,услаждаясьнадеждой,чтопоступательныеразвития…будутвозобновлятьсяивпредь,и впредь, и впредь; что новая Вселенная возрастет в бытие и потомпогрузитсявничто…».

Итак, если отвлечься от многословной метафизики «Эврики» иоставить только физические идеи, то перед нами предстает стройнаякартинаэволюционирующейдинамическойВселенной.ЭдгарПосоединиластрономические знания первой половины XIX века и модельэволюционирующей Вселенной. По словам Альберто Каппи, «этотреволюционный и экстраординарный синтез является тем, что придает«Эврике»привкуссовременности».Действительно,рождениеВселеннойвпроцессе своеобразного «Большого взрыва» из исходногосверхкомпактного состояния, ее крупномасштабная однородность,существование других вселенных, подчиняющихся неизвестным намзаконам,возможнаяцикличностьэволюцииВселенной,наличиевпрошломэпохи формирования объектов, сила отталкивания, существовавшая наопределенной стадииразвитияВселенной, – все это звучитвнашевремянеобычайнознакомо!Крометого,возвращаяськосновнойтемеэтойкниги,Эдгаром По было предложено и упомянутое ранее решениефотометрическогопарадокса.Как Эдгар По смог высказать столь современно звучащие идеи? СамПо объясняет это тем, что он использовал не стандартные пути научногооткрытия–индукциюидедукцию,–которыеонназвал«узкимиикривымитропинками–пооднойползти,подругойволочиться»,аинтуицию.Вэтомс ним солидарен и Эйнштейн, полагавший, что к самым общим законамприроды «ведет не логический путь, а только основанная напроникновении в суть опыта интуиция». Ключевыми словами здесьявляетсянестолько«интуиция»,сколько«основаннаянапроникновениивсутьопыта»–интуициядолжнаначем-тобазироваться,унеедолжнабытьоснова. Лучшей базой для интуиции является, конечно, хорошее знаниепредмета и его фактической, опытной основы. Все это было у ЭдгараАллана По – он был знаком с основными идеями и результатамисовременнойемуастрономии.

Знали ли создатели современной космологии (им посвященаследующая глава) об «Эврике»? Даже если бы они и были знакомы с еесодержанием, заметного влияния на их работу она оказать не могла.«Эврика»–этоненаучнаястатьяилимонография(хотясписокученых,наработыкоторыхПоссылается,впечатляет–Бессель,Гершель,Гумбольдт,Кеплер,Лагранж,Лаплас,Медлер,Ньютон,Росс,Струвеимногиедругие),а вольные размышления Эдгара По о строении Вселенной, в которые,наряду с известными или даже неправильными представлениями,вкраплены удивительные, но практически ни на чем не основанныедогадки. Автор одной из самых известных и авторитетных биографийЭдгараПо–АртурКуинн–в1940годуобратилсякАртуруЭддингтонуспросьбойвысказатьсвоемнениеоб«Эврике».Ознакомившисьс«поэмойвпрозе»,Эддингтоноценилеедостаточновысоко,написав,что«Эврика»–это творение человека, пытавшегося согласовать науку своего времени сболее философскими и духовными стремлениями разума. Он отметилтакже, что По, по-видимому, имел ум математика и что «соответствиемежду некоторыми его идеями и современными взглядами являетсяинтересным». Сохранилось и короткое замечание Эйнштейна, который водном из своих писем в 1934 году упомянул, что «Эврика» – это «оченькрасивоедостижениеудивительнонезависимогоума».

ЗаканчиваярассказобЭдгареПо,хочупривестицитатуизещеодногопредставителя литературы, в шутливой форме решившегофотометрический парадокс. Стивен Ликок (1869–1944) – известнейшийканадский писатель-юморист и по совместительству профессор,специалист в области политической экономии – в веселых «Очерках обовсем» (1926 год) написал: «Мир, илиВселенная, гдемыустраиваем своидела,состоитизбесчисленногоколичества–можетбыть,сотнибиллионов,а, впрочем, может быть, и нет – сверкающих звезд, звездочек, комет,темных планет, астероидов, метеоров, метеоритов и пылевых облаков,вращающихся по огромным орбитам во всевозможных направлениях, совсевозможными скоростями… Свет, излучаемый этими звездами,преодолеваеттакиеогромныерасстояния,чтовосновномондонасещенедошел».

Этисловадаютрешениепарадокса,вполнесозвучноемыслямЭдгараПо,атакжесподходомМедлераиТомсона,окоторыхсейчаспойдетречь.

1.7.МедлерилордКельвинО,этибездны,влекущиенасввысь!

СтаниславЕжиЛец

Иоганн Генрих Медлер и Уильям Томсон (лорд Кельвин) былипервыми профессиональными учеными, предложившими корректноерешениефотометрическогопарадокса.

Немецкий астроном Иоганн Медлер вырос в Берлине. В 19 лет онпотерял обоих родителей и был вынужден взять на себя заботу о трехмладших сестрах.Медлер стал преподавать в семинарии, давать частныеуроки и одновременно посещать занятия в Берлинском университете. В1824годуонначалчитатьлекциипоастрономииипоматематикебогатомубанкируВильгельмуБеру,встречаскоторымизменилавсюжизньИоганна.Медлерубедилбанкирапостроитьнебольшуючастнуюобсерваторию,накоторой они с Бером, начиная с 1830 года, стали активно работать.Основным результатом совместной работыМедлера и Бера стала перваяподробная карта Луны «Марра selenographica» (1834 год) и подробныйтексткней(1837год).ЭтаработасделалаимяМедлераизвестнымис1836года он становится сотрудником Берлинской обсерватории. В 1840 году,после ухода Василия Струве в Пулковскую обсерваторию, освободилосьместо директора обсерватории в Дерпте (Тарту, Эстония). Медлер занялэтотпост,атакжесталпрофессоромДерптскогоуниверситета.В1866годуиз-за болезни глаз, сделавшей невозможным проведение наблюдений,МедлерушелвотставкуивернулсявГерманию.

Основные научные результаты Иоганна Медлера связаны сисследованием и картографированием поверхностей Луны и Марса,изучением двойных звезд, собственных движений звезд. Известенпредложенный Медлером проект календаря, более точного, чемгригорианский (в этом календаре на каждые 128 лет приходится не 32високосныхгода,а31).

Рис.13.ИоганнГенрихМедлер(1794–1874)иУильямТомсон(лордКельвин)(1824–1907)

Иоганн Медлер был также очень известным историком ипопуляризатором астрономии. Его книга «Популярная астрономия»,опубликованнаяв1841годуивыдержавшаяшестьприжизненныйизданий,стала знаменитой, ее читали по всемумиру.Упоминается в этой книге ифотометрический парадокс, причем разные издания отражают изменениевзгляда Медлера на эту проблему. В первых четырех изданиях парадоксобсуждается в терминах поглощения света от далеких звезд. В пятомиздании (1861 год) Медлер пишет, что в бесконечной Вселенной,заполненнойбесчисленнымколичествомзвезд,всенебодолжносиятькакСолнце. Этого нет и, следовательно, должно быть расстояние, начиная скоторого свет звезд до нас не доходит. Далее, ссылаясь на Ольберса, онупоминаетпоглощениесвета, каквозможныймеханизмтакойблокировкиизлучения. Затем следуют слова: «Действительно, такое расстояниесуществует,нопричинасовсемвдругом.Скоростьсветаконечна;конечноевремя прошло от начала Творения до наших дней и мы, следовательно,можем наблюдать небесные тела только до расстояния, которое светпрошелвтечениеэтогоконечноговремени…Вместотого,чтобыговорить,чтосветсэтихрасстоянийнедошелдонас,надоговорить,чтоонещенедошелдонас».

Приведенные словаМедлерадаютчеткоерешениефотометрического

парадокса: Вселенная конечна во времени (но может бытьпространственно-бесконечной), скорость света также конечна и,следовательно,начинаясопределенногорасстояния,равногопроизведениювозрастаВселеннойнаскоростьсвета,светболеедалекихзвезддонасещенедошелипоэтомуночноенебоостаетсятемным.

В XIX веке решение Медлера не привлекло особого внимания.Единственным известным человеком, заметившим его, был ФридрихЭнгельс. В своей «Диалектике природы» (1873–82, 1885–86 годы) оннаписал о приведенных выше словах Медлера как о «великолепном»возражении«противтакназываемогопоглощениясвета»,апредположение,«что только поглощение света способно объяснить темноту заполненногово все стороны на бесконечное расстояние светящимися звездами неба»,Энгельсназвал«старомоднымвзглядом».

В1895году,послесмертиЭнгельса,рукопись«Диалектикиприроды»попала к его другу – Эдуарду Бернштейну, который ее, однако, неопубликовал. Возможной причиной этого был отзыв Эйнштейна,прочитавшего в 1924 году по просьбе Бернштейна рукопись Энгельса. Кидеепубликации«Диалектики»Эйнштейнотнессявцеломодобрительно,хотя,поегомнению,онанепредставляетособогоинтересанидляфизики,нидляисториифизики.

ИмяанглийскогофизикаУильямаТомсона,болееизвестногокаклордКельвин, знакомо практически каждому жителю Земли благодарявведенной им абсолютной шкале температуры – шкале Кельвина – и,соответственно, градусам Кельвина. Однако не это сделало его одним изсамых выдающихся и авторитетных физиков XIX века. Как писалЭйнштейн, «одаренный богатой фантазией, редким умением применятьматематический аппарат и проникновенным умом, Томсон около 60 летучаствовал в развитии физики и различных отраслей техники, добывмножестворезультатов, сохранившихсвое значениедо сегодняшнегодня;немногиеученыебылистольжеплодотворны».

Работы Уильяма Томсона относятся к термодинамике, одним изосновоположников которой он является, гидродинамике,электромагнетизму, упругости, математике.Очень много сделал Томсон впрактической физике и в технике – он изобрел или улучшил множествоприборов, вошедших во всеобщее употребление. К концу своей долгойжизни Томсон зарегистрировал 70 патентов и опубликовал более 600научных работ. За деятельность, связанную с прокладкойтрансатлантического кабеля, Уильям Томсон в 1866 году был возведен вдворянскоедостоинство,ав1892годукоролеваВикторияпожаловалаему

пэрствоститулом«баронКельвин».В1884годуУильямТомсонвыступилвСШАсцикломлекцийперед

избранной аудиторией, состоявшейв основномиз американскихфизиков.Позднее Томсон расширил и дополнил эти лекции, и они были изданы в1904годуподназванием«Балтиморскиелекции».Однакоещераньше–в1901 году – одна из лекций была опубликована как отдельная статья в«Philosophical Magazine». В этой статье Томсон проанализировалфотометрический парадокс в рамках модели свободной от поглощения,однородной статической Вселенной и предложил его первоеколичественноерешение.Сначала Томсон, используя подход, аналогичный описанному в п. 1.2,оценивает относительную долю небесной сферы α, закрываемуюизображениямизвезд,равномернораспределенныхвнутрисферырадиусаr:

гдеΝ — полное число звезд внутри этой сферы, а a – линейныйрадиус звезды (все звезды считаются равными Солнцу по светимости иразмеру). Далее он отмечает, что эта доля – α – может быть выражена ичерезотношениеяркостипокрытогозвездаминебаI(sky)кяркостидискаСолнца

Последняяформула примечательна своей простотой и наглядностью.Из нее сразу следует, что яркость звездного неба (нефона неба, а неба вцелом)можетбытьзаписанапростокакI(sky)=

КакотметилЭдвардХаррисон,удивительно,чтозачетыресталет истории парадокса Кельвин оказался единственным человеком,обратившим внимание на эту простую связь между яркостью звездногонебаидолейнебосвода,покрываемогоизображениямизвезд.

Далее Томсон переходит к количественным оценкам. Он беретхарактеристики нашей звездной системы, примерно соответствующиемоделиГалактикиВильямаГершеля,–r=1000пк=3×1016км,Ν=109иа=7×105км–иизформулы(3)получает,чтоα~10-13.Этоозначает,чтояркостьнеба,определяемаязвездамиГалактики,какойвовременаТомсонаеесебепредставляли,оченьмалаинебодолжнооставатьсятемным.

Длятогочтобыприсохранениисреднейпространственнойплотностизвезд увеличить а, например, до 0.04 (то есть 4%небесной сферы будетпокрыто изображениями звезд), необходимо увеличить радиус звезднойсистемыв100миллиардовраз, тоестьондолженбытьравен3×1027км.Свет будет преодолевать это расстояниепримерно за 3×1014 лет.Однако,какотмечаетТомсон,существуютнеоспоримыединамическиеаргументывпользутого,чтоСолнцеможетсуществоватькаксветящийсяобъектлишьнесколькодесятковмиллионовлет[9].

Еслидопустить,чтовсезвездысветятвтечение100млнлет,товремя,втечениекоторогосветотвнешнихобластейнашейвоображаемойсферыдобирается до Земли, будет в 3 миллиона раз превышать время жизнизвезд.Следовательно, для того чтобы всянебесная сфера была заполненаизлучением, необходимо предположить, что приход излучения от звезд,находящихся на разных расстояниях от Земли, синхронизирован – чемдальшеотнасзвезда,темраньшеоназажглась.Это,конечно,невозможно,посколькуозначалобывыделенностьположенияЗемливоВселенной.

Кроме того, заключает Томсон, предположение о том, что звездыраспределены однородно с одинаковой плотностью за пределами нашейзвезднойсистемы,конечно,необоснованно.Всфересрадиусомбольшим,чем наша Галактика, плотность звезд должна быть гораздо меньше и, витоге,практическинетникакойвозможностисделатьтак,чтобызначениеα(тоестьвеличинаотносительнойяркостинеба)превышала10-12или10-11.Таким образом, предложенное Томсоном решение фотометрическогопарадокса, по сути, состоит в том, что размер наблюдаемой Вселеннойгораздо меньше того, который требуется для того, чтобы вся небеснаясферасверкала,какповерхностьСолнца.Томсон,по-видимому,считал,чтовозраст нашей Вселенной ограничен – тогда, естественно, ограничен иразмер доступной наблюдениям Вселенной – и поэтому его решениесозвучноболеераннимидеямЭдгараПоиМедлера.

Наэтомязаканчиваюрассказобисториифотометрическогопарадоксав его простейшей формулировке, описанной в начале этой главы. Этотрассказ,естественно,неполон,можноупомянутьещерядисследователей,такилииначезатрагивавшихпарадокс(например,ОттофонГерике,РобертГук,БернардеФонтенель,ХристианГюйгенсидр.),однакососновнымиидеями и с главными действующими лицами в его истории мы ужепознакомились.Еслибыкнигабылапосвященатолькофотометрическомупарадоксу, тона этомееможнобылобызакончить.Действительно,нашаВселенная может быть относительно небольшим звездным островком,окруженнымсовсехсторонтемнойстеной(такпредполагалКеплер),она

можетбытьконечнавовремениивпространстве(ЭдгарПо,Медлер,лордКельвин) – все эти предположения избавляют нас от парадокса. Однако,конечно, интересно узнать, что на самом деле представляет собойокружающий нас мир и как в реальной Вселенной решается загадкатемнотыночногонеба.Неменееинтересенответнаэтотвопросвчислах–почему ночное небо столь тускло и что из этого следует.Ответам на этивопросыпосвященыдвеследующиеглавыкниги.

Глава2КакустроенанашаВселеннаяВпредыдущейглаве,следуяхронологическомупорядку,мыподошли

к XX веку, в котором представления о структуре и эволюции нашейВселеннойизменилиськардинальнымобразом.Длятогочтобыпродолжитьобсуждение фотометрического парадокса, нам нужно познакомиться сосновными элементами современной картины Вселенной. Эта картинадостаточно сложна и поэтому мы остановимся лишь на основных еечертах,опирающихсянанаблюдения.

На рубеже XIX и XX веков окружающая человека Вселеннаяпредставлялась очень своеобразной. Согласно книге С. Ньюкомба и Р.Энгельмана «Астрономия в общепонятном изложении», «большинствозвезд, видимых… в зрительную трубу, занимает пространство, имеющеевид более или менее округлого, сравнительно плоского слоя», «нашесолнце с его планетной системою находится около центра описанноговыше пространства», «по обе стороны области Млечного путипростирается область туманных пятен, в которой мы находим мало иливовсе не находим звезд, но встречаем много туманностей» (рис. 14).Природа «туманных пятен» оставалась неясной. С одной стороны, еще вXVIII веке начали догадываться, что они могут являться отдельнымизвездными островами или, говоря словами Вильяма Гершеля, иными«млечнымипутями».Сдругойстороны,некоторые«пятна»разрешалисьназвезды, в других было видно, чтоцентральная звезда окружена туманнойоболочкой и, кроме того, туманности отчетливо избегали плоскостиМлечного Пути. Эти наблюдения свидетельствовали скорее о локальнойприроде «пятен», то есть о том, что они образуют особую подсистему,связаннуюссамимМлечнымПутем.Крометого,оставаласьвозможность,что часть «туманностей», действительно, связана с нашей Галактикой, адругаяпредставляетсобойдалекие«млечныепути».

Рис.14.УстройствовидимойВселеннойпопредставлениямконцаXIX-начала XX веков. Положение Солнца отмечено буквой «S».(Рисунок из книги С. Ньюкомба и Р. Энгельмана «Астрономия вобщепонятном изложении», 1896, Санкт-Петербург: Издание К.Л.Риккера)

Для того чтобы выяснить природу слабых туманностей требовалосьнаучиться оценивать их расстояния. В начале XX века этим пыталисьзаниматьсямногие(например,КнутЛундмарк,ГеберКертис,ЭрнстЭпик),но решающий шаг был сделан американским астрономом ЭдвиномХабблом.

ЭдвинХабблв1910годуполучилстепеньбакалавранауквЧикагскомуниверситете (во время обучения он в основном интересовалсяматематикой, астрономией и философией), а затем три года проучился вОксфордскомуниверситетевАнглии,ставещеибакалавромправа.Однаконаюридическую стезюХаббл так и не вступил, поскольку зародившеесяещевдетствеувлечениеастрономиейпривелоегов1914годувЙеркскуюобсерваториюЧикагскогоуниверситета.ВовремяПервоймировойвойныХаббл два года прослужил в армии. Демобилизовавшись, он принял

предложение Джорджа Хейла – первого директора обсерватории МаунтВилсон–ис1919годасталсотрудникомэтойобсерватории.

В итоге нужный человек оказался в нужном месте в нужное время.Известный американский астрономМил-тонХьюмасон, работавший в товремя в обсерватории ночным ассистентом, так вспоминал о Хаббле,начавшем работу на Маунт Вилсон: «Уверенность и энтузиазм… былиобычнымидлянегоприрешениивсехсвоихпроблем.Онтвердознал,чтохотел делать и как это выполнить».Чтоже касаетсяместа и времени, тосовсем недавно – в ноябре 1917 года – в обсерватории вступил в стройкрупнейший в мире 100-дюймовый телескоп-рефлектор. Столь удачноесочетаниеисследователя,полногоновыхидейижеланияихреализовывать,и уникального инструмента не могло не привести к выдающимсярезультатам.Одним из таких результатов стало обнаружение Хабблом осенью 1923годапеременныхзвездвгалактикеM31(туманностьАндромеды),азатемв NGC 6822 и в M 33 (туманность Треугольника). Некоторые из этихпеременных оказались цефеидами [10] – замечательными звездами, длякоторых в начале XX века была установлена четкая зависимость междупериодомколебанийблеска(P)исветимостью(L).Темсамымцефеидыдают возможность оценить расстояние до них – построив кривую блесказвезды, можно найти период колебаний, а затем, зная как у таких звездсвязаны P и L, можно найти истинную светимость, а сравниваянаблюдаемыйблескцефеидыиL,находимрасстояние.

Рис.15.ЭдвинПауэлХаббл(1889–1953)ИзучиврядцефеидвM31иM33,Хабблпришелквыводу,чтообе

галактикинаходятсянарасстоянииоколо900000световыхлет.Этосразувыводило туманности Андромеды и Треугольника далеко за пределыМлечногоПутии,посути,решалотакдолговызывавшуюспорыпроблемуприроды «туманных пятен». Границы наблюдаемой Вселенной безмернораздвинулись, и на смену картине, показанной на рис. 14, пришлопредставление о Вселенной, заполненной бесчисленными звезднымиостровами,средикоторыхнашМлечныйПутьничемособенным(конечно,заисключениемнашегосуществования!)невыделяется(рис.16).

Рис.16.ЦентральнаяобластьскоплениягалактиквПерсееЭдвинХабблпродолжилнаблюдательноеисследованиемирагалактик

и вскоре ему было суждено совершить еще одно фундаментальноеоткрытие.

2.1.РасширениеВселеннойПустота все чаще требует расширения

жизненногопространства.

СтаниславЕжиЛец

Расширение Вселенной – это, наверное, самое грандиозное изизвестных человечеству явлений. Непросто представить себе, чтоогромныегалактикииихколоссальныескоплениянапротяжениимногихмиллиардов лет стремительно разлетаются друг от друга, будто гонимыеневедомойсилой.Ещеменеепростопринятьочевидныеследствиятакогоразлета.Норасскажемобовсемпопорядку.

Открытие расширения Вселенной, как и многие другие великиедостижения человечества, не было совершено одним человеком и, темболее, не было сделано в результате внезапного озарения. Любомуоткрытию,какправило,предшествуетдлительнаяподготовительнаяработа–частооченьутомительнаяинеслишкоминтересная.Наивныеанекдоты–например, про Архимеда и ванну, про яблоко Ньютона, про явившуюсяМенделееву во сне периодическую систему – отражают лишьзавершающий этап открытия, когда исследователю вдруг становится ясното,надчемоноченьдолгоразмышлял.

Расширение Вселенной было открыто и, что не менее важно,правильно интерпретировано как реальное расширение, не сразу и былосделаноневодиночку.Ключевыеименавэтойистории–это,конечно,А.А. Фридман (рис. 17) и уже знакомый нам Эдвин Хаббл, однако оченьбольшой вклад был внесен и целым рядом других исследователей.ОбнаружениерасширенияВселеннойнеоднократноподробноописывалосьипоэтомуяостановлюсьлишьнаважнейшихэтапахэтойистории.

Рис.17.АлександрАлександровичФридман(1888–1925)1912 год: Американский астроном Весто Слайфер начинает

спектральные наблюдения туманности Андромеды на 24-дюймовомрефракторе Ловелловской обсерватории. К концу года он накопилнесколько фотографических пластинок, полученных с многочасовымиэкспозициями, и смог оценить систематическое смещение спектральныхлиний в спектре туманности по сравнению со спектром сравнения (вкачестве стандарта лучевых скоростей использовался Сатурн). Результатоказался неожиданным – если интерпретировать смещение спектральныхлиний как следствие эффекта Доплера, то «мы можем заключить, чтотуманностьАндромедыприближаетсякСолнечнойсистемесо скоростьюоколо 300 км/с». В конце своей заметки, опубликованной в 1913 году,Слайфер пишет: «расширение работы на другие объекты обещаетрезультаты фундаментальной важности, но слабость спектров делаетработутяжелой,анакоплениерезультатов–медленным».

Это, действительно, было очень непросто. Прежде, чем былиполучены первые результаты, Слайфер в течение нескольких летэкспериментировал со спектрографом и с фотоэмульсиями, пытаясьповысить эффективность наблюдений слабых объектов. Кроме того,наблюдения приходилось проводить с многочасовыми экспозициями,которые иногда растягивались на несколько ночей – на день пластинкаплотно закрывалась в спектрографе, а следующей ночью наблюдения

галактики возобновлялись.Дополнительную сложность придавало то, чтотелескоп,которыйиспользовалСлайфер,небылснабженточнойсистемойведения, позволяющей автоматически удерживать в центре поля зренияобъект, непрерывноменяющийсвоеположениеиз-за суточного вращениянебесной сферы. Это означало, что длительные наблюдения на немпревращалисьпочтивпытку–астрономнинаминутунемоготвлечьсяотпроцесса наблюдений, так как ему все время приходилось вручнуюподправлять положение телескопа. (На вопрос, как он выдерживал стольутомительныенаблюдения,Слайфервшуткуотвечал,чтоон«прислонялсяктелескопу».)

Ученик Хаббла Алан Сендидж позднее охарактеризует подобныенаблюдения так: «Наблюдения у телескопа, даже в наилучших условиях,утомительны.Вхудшемслучаеможетбытьхолодноитоскливо[11]…»

1915год:ВестоСлайферпубликуетоценкилучевыхскоростейдля15туманностей. За исключением Андромеды и ее спутника, все остальныеобъекты демонстрируют смещение линий в красную область спектра,означающееихудалениеотнас с типичнымискоростями, достигающиминескольких сотен км/с. Максимальная измеренная скорость составляет+1100км/суNGC4594.

ВноябреэтогожегодаАльбертЭйнштейнзавершаетсозданиеобщейтеории относительности (ОТО), ставшей основой релятивистскойкосмологии.

1916год:ДжорджПаддокизЛикскойобсерваториипубликуетанализлучевыхскоростейтуманностейподаннымСлайфера.Всвоеманализеонучелвозможностьтого,чтовсясистемаизвестныхтуманностейудаляется,причемнетолькоотнас,ноидруготдруга.Дляэтогоонвпервыеввелврассмотрение « К-член » – систематическую добавку к скорости,положительное значение которой означает расширение системытуманностей. (Сейчас « К- член» знаком нам под названием «красноесмещение».) Формальное решение, найденное Паддоком,свидетельствовалоореальноститакогорасширения.

1917 год: Весто Слайфер довел число спиральных туманностей сизмеренной скоростью до 25. В своей статье он отмечает, что средняяскорость туманностей составляет 570 км/с, что примерно в 30 разпревышает среднюю скорость движения звезд. Большие положительныескорости «подразумевают, что туманности удаляются со скоростью около500 км/с». Далее он пишет: «Это может означать, что спиральныетуманностиразлетаются,однакоихраспределениенанебенесогласуетсясэтим,посколькуониимеюттенденциюкобразованиюскоплений».

В этом же году Альберт Эйнштейн публикует первуюкосмологическуюмодель, основаннуюнаОТО.МодельЭйнштейна – этопространственно-замкнутая, однородная и изотропная статическаяВселенная. Предположение об однородности и изотропности (сейчас ононазывается космологическим принципом ) было введено из соображенийпростоты, таккаконо сильноупрощаетрешениеуравнений.Статичностьжемоделитожеказаласьвполнеестественной:«Самоеважноеизвсего,чтонам известно из опыта о распределенииматерии, заключается в том, чтоотносительные скорости звезд очень малы по сравнению со скоростьюсвета. Поэтому я полагаю, что на первых порах в основу нашихрассуждений можно положить следующее приближенное допущение:имеется координатная система, относительно которой материю можнорассматриватьнаходящейсявтечениепродолжительноговременивпокое».(Замечательные слова! Эйнштейн использует максимально осторожныеформулировки – «на первых порах» и «приближенное допущение», –формальнодопускаявозможность,какбыонаемуинибыланеприятна,инестационарных решений.) Напомню также, что в 1917 году истиннаяприрода «туманностей» еще не была надежно установлена, и Вселеннаясчиталасьсостоящейиззвезд.

Пытаясь создать стационарную модель Вселенной, Эйнштейнстолкнулся с тем, что ему необходимо чуть модифицировать своиуравнения поля, введя в них неизвестнуюфундаментальнуюконстантуΛ(ее также называют космологической постоянной). Если Λ>0, то учетсоответствующего члена в уравнениях эквивалентен некоторомуотталкиванию, противодействующему гравитационному притяжениюобычноговещества.Вспомним«непрерывноечудо»(«аcontinualmiracle»),которое потребовалось Ньютону, чтобы предотвратить гравитационныйколлапсегоВселенной(см.предыдущуюглаву).Споправкойнаболеечемдвухсотлетнее развитие науки Λ-член Эйнштейна играет рольньютоновского«чуда»!

Вскоре после публикации работы Эйнштейна, в том же 1917 году,голландский астроном Биллем де Ситтер (рис. 18) нашел решениеобобщенных, то есть содержащих Λ-член, уравнений Эйнштейна дляпустой (плотность обычного вещества ρ = 0) Вселенной. Вселенная деСиттера – это пустой, искривленный, замкнутый мир, равномернозаполненный гипотетической антигравитирующей средой, ответственнойза Λ-член Эйнштейна. В этом странном мире де Ситтер обнаружилинтересный эффект – Вселенная в целом остается статической, однако«частота колебаний света уменьшается с удалением от начала координат.

Линии в спектрах очень далеких звезд и туманностей должны,следовательно,бытьсистематическисмещенывкраснуюобласть,приводякростукажущейсяположительнойрадиальнойскорости».Здесьречьидетименноо«кажущейся»скорости–красноесмещениебудетприсутствоватьв спектрахдажепокоящихсяотносительнонаблюдателяобъектов,причемвеличинаэтогосмещениябудетпропорциональнаквадратурасстояния.Де Ситтер попытался сравнить это предсказание с наблюдениями,однакоемубылидоступныизмерениялучевыхскоростейтолькодлятрехтуманностей,наблюдавшихсяболеечемоднимнаблюдателем.(Одиночнымизмерениям де Ситтер, видимо, не доверял.) Де Ситтер заключил, чтоскоростиспиральныхтуманностей,действительно,великипосравнениюсоскоростямиближайшихзвезд,однако«этотрезультат,найденныйтолькопотрем туманностям, практически не имеет ценности». Затем онформулирует,какмысейчассказалибы,космологическийтест–будущиенаблюдениялучевыхскоростейспиральныхтуманностейдолжныпоказать,наблюдаются или нет у них большие положительные скорости, и темсамымдатьаргументывпользумоделиЭйнштейнаилидеСиттера.

Рис.18.Слева–БиллемдеСиттер(1872–1934)утелескопа,справа–ЖоржЛеметр(1894–1966)иАльбертЭйнштейн(1879–1955)

Такимобразом,в1917годубылисозданыдвемоделиВселенной.Обемоделибылиоднороднымииизотропными,статическимииобесодержалиΛ-член.Модель Эйнштейна была заполнена веществом, но излучение отдалекихобъектовнебылосмещеновкраснуюобластьспектра.Модельде

Ситтерабылапустой,ноизлучение (предположим,чтооно тамоткуда-товзялось) должно было демонстрировать красное смещение. ОднакореальнаяВселеннаясодержитивещество,икрасноесмещениевспектрахобъектов!

1918 год:Немецкий астрономКарлВирцповторяет анализДжорджаПаддокаиприходиткзаключению,что«системаспиральныхтуманностейпоотношениюкнынешнемуположениюСолнечнойсистемы,какцентра,движетсяпрочьсоскоростьюпримерно656км/с».Иногдаможновстретитьутверждения, что Вирц не знал о работе Паддока, однако это не так,поскольку список туманностей с измеренными скоростями взят Вирцомименно из работы Паддока (в статье Вирца есть прямая ссылка насоответствующую страницу в статье Паддока). В дальнейшем, как этоиногда бывает в науке, о вкладеПаддока забыли и введение «K -члена»сталисчитатьзаслугойВирца.

1919 год: 29 мая состоялось солнечное затмение, во время которогодве группы английских исследователей, работавших в Бразилии и наострове Принсипи рядом с западным побережьем Африки, измерилиугловое отклонение лучей света звезд Солнцем. Величина отклонения впределахошибококазаласьблизкакпредсказаниюОТО.СэтоговремениОТО становится общепризнанной теорией гравитации и основой дляпостроениямоделейВселенной.

Выходит статья Харлоу и Марты Шепли, в которой изучаютсяхарактеристикишаровыхзвездныхскопленийиспиральныхтуманностей.Один из выводов статьи – спиральные туманности в целом двигаются отСолнца и от плоскости Галактики.И даже более – скорость туманностейзависитотихвидимойзвезднойвеличины,чтоможетсвидетельствоватьосуществованиизависимостискороституманностиотрасстояния.

1922 год: Карл Вирц анализирует по возросшим данным Слайфералучевые скорости 29 спиральных туманностей. По-видимому, именно вэтой его работе впервые появляется термин «красное смещение»(«Rotverschiebung» по-немецки), ставший впоследствии общепринятым[12].

Вирцподтверждаетсвоипредыдущиерезультаты,атакжерезультатыПаддокаисупруговШепли,оразлетесистемытуманностей.1922, 1924 годы: Александр Александрович Фридман публикует двестатьи,вкоторыхонпоказывает,чтоуравненияОТОдопускаютрешения,отвечающие однородному пространству, в котором все расстоянияизменяютсясовременем.Фридманрешилуравнениявобщемвиде,тоестьс ρ > 0 и Λ-членом, однако вывод о существовании таких решений

справедлив и для Λ = 0. Как написал Эйнштейн в 1923 году в заметке,посвященной результатам Фридмана, «оказывается, что уравнения полядопускают, наряду со статическими, также и динамические (т. е.переменные относительно времени) центрально-симметричные решениядля структуры пространства». (Появление заметки связано с тем, чтосначалаЭйнштейнпубличнонесогласилсясэтимирезультатами,азатем,убедившисьвсвоейошибке,такжепубличнопризналихсправедливость.Очень редкий случай в истории науки!) Упоминавшиеся ранее моделиЭйнштейна и де Ситтера оказались лишь частными случаями решенийФридмана.

Смысл найденного Фридманом решения состоял в том, что нашаВселенная просто не может быть статической – она должна либорасширяться, либо сжиматься. (Как показали позднейшие исследования,статическая Вселенная Эйнштейна, в которой гравитация точноуравновешивается создаваемымΛ-членом «антитяготением», неустойчива– малейшее отклонение от этого равновесия приведет к тому, чтоВселенная начнет сжиматься под действием гравитации или расширятьсяпод влиянием Λ-члена.) В каком конкретно состоянии находитсяВселенная, должны были показать наблюдения: «Данные, которыми мырасполагаем, совершенно недостаточны для каких-либо численныхподсчетов и для решения вопроса о том, каким миром является нашаВселенная…». По воспоминаниям Д. Д. Иваненко, в 1924 годуФридманобсуждализмеренныеСлайферомбольшиелучевые скорости спиральныхтуманностейнасеминаревПетроградскомуниверситете.Онполагал,чтоэти наблюдения могут быть прямым наблюдательным свидетельством впользутеориирасширяющейсяВселенной,однакоисследоватьэтотвопросонпростонеуспел.

Α. Α.Фридман не был астрономом или космологом. Чаще всего егоназывают математиком, геофизиком или метеорологом, поскольку онполучилважныерезультатывовсехэтихнауках.В1910годуонзакончилматематическое отделение физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета и был оставлен в университете «дляподготовления к профессорскому званию».Во времяПервоймировойон,как и Хаббл, добровольцем поступил в армию, служил в авиационныхчастях, заведовал Центральной аэронавигационной и аэрологическойслужбой фронта в Киеве. После войны Фридман сначала оказался вМоскве, а в 1918 году стал профессором кафедры механики Пермскогоуниверситета. В 1920 году он, наконец, возвращается в Петроград,начинает преподавать в ряде учебных заведений, включая университет и

Политехнический институт. В 1925 году он стал директором Главнойгеофизической обсерватории. Летом 1925 года А. А. Фридман и П. Ф.Федосеенкоснаучнымицелямиподнялисьнааэростатенавысоту7400м,поставивтемсамымрекордРоссии.

ДажеэтоточеньнеполныйикраткийнабросокосновныхэтаповжизниидеятельностиА.А.Фридмананаглядноиллюстрируетегоудивительнуюразносторонностьиактивность.КакученыйикакорганизаторнаукиА.А.Фридман мог бы сделать еще очень многое, однако 16 сентября 1925 онбезвременно(емубыловсего37лет!)скончалсяотбрюшноготифа.

ПочтивсяжизньА.А.ФридманауместиласьвзаписанныхсплошнымтекстомстрочкахстихотворенияЛеонидаМартынова:

«Фридман?До сихпоронжитель лишьнемногих книжныхполок–математики любитель, молодой метеоролог и военный авиатор нагерманском фронте где-то, а поздней организатор Пермскогоуниверситетаназаресоветскойвласти…ЧленОсоавиахима.Тифсхвативв Крыму, к несчастью, не вернулся он из Крыма. Умер, и о нем забыли.Толькочерезчетвертьвекавспомнилипрочеловека,вродекакбыоценили!Молод, дерзновеньяполон,мыслилонне безыдейно.Факт, чтокое в чемпошел он дальше самого Эйнштейна: чуя форм непостоянство в этоммире-урагане,виделвкривизнепространстваонгалактикразбеганье.»

1923 год: Немецкий математик Генрих Вейль отметил, что, если вмодель пустой Вселенной де Ситтера добавить немного вещества, товзаимным тяготением объектов можно пренебречь, а «отталкивающее»влияние Λ-члена должно привести к разлету объектов. Для малыхвзаимных расстояний скорость разлета оказалась пропорциональнойрасстоянию между объектами. К аналогичному выводу в этом же годупришелизнаменитыйанглийскийфизикиастрономАртурЭддингтон.

1924 год: Карл Вирц публикует статью под названием «ДеСиттеровская космология и радиальные движения спиральныхтуманностей»,вкоторойонвпервыепопыталсянайтизависимостьмеждукрасным смещением ( z ) и расстоянием по данным о 42 туманностях.Расстоянийдотуманностейунегонебылоитогда,предположив,чтовсеониимеютодинаковыйлинейныйразмер,Вирцвкачествехарактеристикирасстояния использовал логарифм углового диаметра. Оказалось, что,действительно, чем меньше угловой размер, тем, в среднем, большерадиальная скорость туманности. Зависимость оказалась не слишкомотчетливой(коэффициентлинейнойкорреляциибылравен-0.455),однаковполне достаточной, чтобы предположить существование реальной связимеждуzирасстоянием.

В этом и в следующем годах подобными работами с переменнымуспехом занимались и другие исследователи (например, ЛюдвигЗильберштейн, Кнут Лундмарк, Густав Стремберг). Результаты былинеуверенными,искомаязависимостьоставаласьмиражом:«наносялучевыескоростипротивотносительныхрасстояний,мынаходим,чтомеждудвумявеличинами может быть связь, хотя и не очень определенная» (К.Лундмарк, 1924). Причинами такого положения являлись, во-первых,отсутствие надежных оценок расстояний до туманностей и, во-вторых,слишкоммаленькийдиапазондоступныхлучевыхскоростейирасстояний(кэтомувремениВестоСлайферужепочтиисчерпалвозможностисвоего24-дюймовогорефрактора).КлючкрешениюэтихпроблембылврукахуЭдвина Хаббла, который через несколько лет подключится к поискунаблюдательнойзависимостимеждукраснымсмещениемирасстоянием.

1925 год: Жорж Леметр (рис. 18) бельгийский католическийсвященник, астроном и математик, публикует свою первую работу покосмологии. Леметр проанализировал модель, описывающую мир деСиттеравсистемеотсчета,связаннойсвнесеннымивэтотмирпробнымичастицами. В частности, развивая соображения, высказанные ранееЭддингтоном, он дал математическое описание присущей модели деСиттеравнутреннейнестатичности.

1927 год:Жорж Леметр заново открывает нестационарные решенияуравненийОТО.ЧистоматематическиработыЛеметраиФридманаоченьпохожи(заисключениемтого,чтоЛеметрвсвоихуравненияхучелвкладдавления излучения). Однако в вопросе о связи модели с реальностьюЛеметр, сделал следующий важныйшаг. Во-первых, он впервые в явномвиде выписал ожидаемую в модели расширяющейся Вселенной связьмежду скоростью и расстоянием: ν∝ r . Во-вторых, он проанализировалдоступные данные о скоростях и расстояниях галактик (работамиХабблабылоужедоказано,что«спиральныетуманности»–это«внегалактическиетуманности» или просто «галактики») и заключил, что между ними,действительно, есть связь. Леметр даже смог оценить значениекоэффициента пропорциональности H0 зависимости ν = H0×r : H0 =625 км/с/Мпк. (Коэффициент H0 позднее стали называть «постояннаяХаббла»,асамуэтузависимость–«законХаббла».)ВстатьеЛеметрабыловпервые публично заявлено, что «скорости удаления внегалактическихтуманностей представляют собой космический эффект расширениявселенной».

Знал ли Леметр о работах А. А. Фридмана? В своих письмах ивоспоминаниях он неоднократно писал, что не знал. Впервые о вкладе

ФридманаонуслышалотЭйнштейнавоктябре1927года–черезполгодапосле публикации своей статьи. Когда в 1931 году работа Леметра поинициативеЭддингтонабылапереведенанаанглийскийязык(воригиналеонабылаиздананафранцузском),ЛеметрдобавилвнеессылкунастатьюФридмана1922года,которойнебыловисходномтексте1927года. (Этотнюанс иногда создает путаницу в вопросе об оригинальности работыЛеметра.)Крометого,при«переиздании»изработыЛеметравыпалачасть,в которойон сравниваетмодельрасширяющейсяВселенной с даннымиолучевыхскоростяхгалактик.

1928 год: Американский физик и математик Говард РобертсонпредпринялвторуюпопыткуоценитьзначениепостояннойХаббла,правда,ненаосновеконцепцииФридмана-Леметра,аврамкахмоделидеСиттера.НезависимоотболеераннихрезультатовВейля,ЭддингтонаиЛеметра,онпришел к выводу, что пробные частицы в модели де Ситтера будутразбегаться,причемпрималыхrбудетприближенновыполнятьсязаконν∝r . Взяв красные смещения Слайфера и расстояния галактик по Хабблу,Робертсоннашел,чтоH0=461км/с/Мпк.

ВэтомжегодуначинаетсяпрограмманаблюденийспектровгалактикнаобсерваторииМаунтВильсон.ДляпроверкимоделидеСиттераЭдвинХаббл составил список слабых и, вероятно, далеких галактик, у которыхбыло быжелательно получить спектры и измерить лучевые скорости. (ОработахФридманаиЛеметраХабблв этовремяне знал,хотя, возможно,зналорезультатахРобертсона.)НаблюдениямипоэтойпрограммезанялсяМилтон Хьюмасон, а сам Хаббл посвятил себя оценкам расстояний догалактиксизмереннымиктомувременикраснымисмещениями.

1929 год: 17 января в «Труды Национальной академии наук США»поступили две статьи. Первой была небольшая заметка Хьюмасона, вкоторойонсообщалорезультатахизмерениялучевойскорости галактикиNGC7619.Скоростьгалактики–3779км/с–оказаласьвдвоебольше,чеммаксимальнаяскорость,измереннаядоэтогоСлайфером.

ВовторойстатьеХабблприводитрезультатыоценкирасстоянийдо24галактик, основанные в основном на предположении об одинаковойсветимостиярчайшихзвездвних.Сравнивэтирасстояниясоскоростямипо данным Слайфера и отчасти Хьюмасона, Эдвин Хаббл приходит квыводу,чтосуществует«…примернолинейнаясвязьмеждускоростямиирасстояниями туманностей, для которых ранее были опубликованылучевыескорости…»(рис.19).Наклонэтойзависимости(H0)составляетпримерно500км/с/Мпк.

Рис.19.Соотношениескорость–расстояние(повертикальнойосиотложенарадиальнаяскоростьгалактикивкм/с,погоризонтальной–расстояниевмегапарсеках).ИзработыХаббла1929года.

Рис. 20. История определения постоянной Хаббла с 20-х по 60-егоды XX века (Тамман 2006). Первые попытки ее измерения былипредпринятыЖоржемЛеметромиГовардомРобертсоном.

По сравнению с ранними результатами других наблюдателей – впервую очередь, Карла Вирца, которого иногда называют «европейскимХабблом без телескопа», и Кнута Лундмарка – данные Хаббла выглядятгораздоболееубедительными.Впервуюочередьэтообъясняетсятем,чтоХаббл использовал не косвенные методы оценки расстояний, которыезамывалинаблюдательнуюкорреляцию,аболеепрямые.Позднее,однако,

оказалось,чтошкаларасстоянийХабблабыласистематическизаниженной,причем избежать этого в начале XX века было практически невозможно.Например,тогдаиспользовалосьнеточнаякалибровкасоотношенияпериод– светимость для цефеид, а именно по этой зависимости определяласьсветимость ярчайших звезд в ближайших галактиках. Кроме того, наприменявшихсяХаббломфотопластинкахуотносительнодалекихгалактикнельзя было отличить изображения ярчайших звезд от компактныхэмиссионных туманностей. Во всех этих и других систематическихошибках шкалы расстояний постепенно разобрались (рис. 20) и внастоящее время считается, что значение постоянной Хаббла близко к70км/с/Мпк(рис.21).

Рис.21.Современнаяверсиясоотношенияскорость–расстояние,построеннаясиспользованиемразличныхметодовоценкирасстоянийдо галактик (данные Hubble Space Telescope Key Project). Числа вверхнемправомуглу–значенияпостояннойХаббла,соответствующиетремразнымпрямымнарисунке.

Можноли считать, чтоработаХаббла1929 годаознаменовала собойоткрытие расширения Вселенной? Да, если смотреть в ретроспективе изнашего времени. Именно эта статья Хаббла, а также его последующаяработа по уточнению наблюдательной зависимости ν – r , убедилибольшинствоастрономоввреальностиэтогоявления.Нет,есливернутьсяв1929год.

Хаббл, как я уже упоминал, не знал о моделях динамическойВселеннойФридманаиЛеметраипредполагал,чтоегонаблюдениямогутбыть использованы для проверки модели де Ситтера. В конце своей

знаменитой статьи он пишет, что «зависимость скорость – расстояниеможет представлять собой эффект де Ситтера и, следовательно, вдискуссию об общей кривизне пространства могут быть введеныколичественные данные». Далее он объясняет, что имеет в виду: «Вкосмологии де Ситтера смещение спектра может происходить по двумпричинам–кажущеесязамедлениеатомныхвибрацийиобщаятенденцияматериальных частиц к разбеганию… Относительный вклад этих двухэффектов должен определять форму соотношения между расстояниями инаблюдаемыми скоростями; и в этой связи можно подчеркнуть, чтолинейнаязависимость…являетсяпервымприближением,представляющимограниченныйдиапазонрасстояний».

Другими словами, есть два «эффекта де Ситтера». Первый эффектпоявилсяв1917годувстатьедеСиттерапропустуюВселеннуюслямбда-членомионсостоитвтом,чтоупокоящихсяобъектовможетнаблюдатьсякрасноесмещение,пропорциональноеквадратурасстояниядоних.Второйэффектпоявилсяпозднее в работах теоретиков,показавших, чтопробныечастицы в модели де Ситтера будут разбегаться под действиемотталкивающей силы лямбда-члена, причем на малых взаимныхрасстояниях должна выполняться зависимость ν ∝ r . Если один изэффектов доминирует, то можно ожидать как линейную, так иквадратичнуюзависимостьν∝r .Хаббл,какследуетизегослов,считаетсвоирезультатыпредварительнымииполагает,чтопринаблюденияхболеедалекихгалактикможетпроявитьсянелинейностьзависимостиν∝r.

Итак, в начале 1929 года все элементымозаики заняли своиместа –было установлено, пусть еще и не слишком надежно, линейноесоотношение скорость – расстояние, Фридманом была создана модельдинамической, эволюционирующей Вселенной, эта модель былапереоткрыта Леметром и им же сравнена с наблюдательными данными(конечно, еще не столь точными, как у Хаббла) – и, казалось бы, этодолжно было привести к быстрому признанию картины расширяющейсяВселенной. Однако работыФридмана и Леметра оставались практическинеизвестными, а при интерпретации зависимости скорость – расстояниепреобладалаосторожность.

Например, в июле 1929 года вышла «листовка» (leaflet)Тихоокеанского астрономического общества с популярным изложениемрезультатов Хьюмасона и Хаббла. В частности, там было написано:«Сложно поверить, что скорости реальны, что вся материя вдействительности разбегается от нашей области пространства. Прощепредположить, что световые волны удлиняются и линии в спектрах

смещаются в краснуюобласть, как будто объектыудаляются, по причиненекоторогосвойствапространстваилизасчеткаких-тосил,влияющихнасветвовремяегодолгогопутешествиякЗемле».

1930, 1931: Жорж Леметр, узнав о достижениях Хаббла, написалписьмоАртуру Эддингтону, в котором он напомнил о своей работе 1927года. Эддингтон, сам уже начавший заниматься построением моделинестационарнойВселенной, был огорчен, что его опередили.Однако, какон написал в письме де Ситтеру, удар был смягчен тем, что в прошломЛеметрбылего–Эддингтона–студентом.

Эддингтон сразу понял значение работы Леметра и ее связь срезультатамиХабблаиХьюмасона.ВэтомивпоследующемгодахонидеСиттерпубликуютработы,обращающиевниманиенарезультатыЛеметра.Крометого,в1931годупоинициативеЭддингтонаиздаетсяпереводстатьиЛеметра на английский язык. В том же 1931 году выходит капитальнаястатья Хаббла и Хьюмасона, в которой они подтвердили существованиесоотношенияv–rнагораздобольшемматериале:«…наблюденияохватилиинтервал расстояний в 18 раз больший, чем было в предварительномисследовании… Но форма корреляции остается неизменной… и, такимобразом, зависимость скорость – расстояние представляется общейхарактеристикой наблюдаемой области пространства». По-видимому,именно начало 30-х годов можно считать временем, когда окончательносложиласьконцепциярасширяющейсяВселенной.

К сожалению, А. А. Фридман не дожил до 30-х годов и не смогпринять участие в дальнейшем развитии теории расширяющейсяВселенной. Его результаты были переоткрыты Леметром, которомупринадлежатещемногоинтересныхидейвэтойобласти.Отчастипоэтому,вероятно, пионерский вкладФридмана оказался «в тени» работ Леметра,который в западной литературе долго считался чуть ли не единственнымавтороммоделирасширяющейсяВселенной.Вэтойсвязилюбопытно,чтопионеры релятивистской космологии – де Ситтер, Леметр, Робертсон,Эддингтон и не упоминавшийся ранее Ричард Толмен – знали работыФридманаи,пустьидалеконевсегда,ссылалисьнаних.

Что же касается Эйнштейна, то, как было написано раньше, онпубличнопризналсправедливостьрезультатовФридманаещев1923году.Позднее он также не раз признавал приоритет Фридмана. В 1931 годуЭйнштейн, имея в виду расширяющуюсяВселенную, сказал, что первымна этот путь вступилФридман. В томже году в устном выступлении натему «Современное состояние теории относительности» он говорит о«русском математике», который пришел к мысли, «что видимаяматерия

находится в состоянии расширения». В приложении к многократнопереиздававшейся книге «О специальной и общей теорииотносительности»Эйнштейнсноваотметил,чтоФридманпоказал,что«…уравненияполядопускаютрешение, в котором«радиусмира» зависитотвремени (расширяющееся пространство). В этом смысле, согласноФридману, теориятребуетрасширенияпространства…ПоэтомуоткрытиеХаббла можно рассматривать до некоторой степени как подтверждениетеории».

Эдвин Хаббл, поставивший последнюю точку в вопросе осуществованиииформесоотношенияv–r ,относилсяксвоемуоткрытиянеоднозначно.ОнвсегдаактивноотстаивалсвойиХьюмасонаприоритетвоткрытии линейного соотношения между скоростью и расстояниемгалактик, подчеркивал, что оно является «маунтвилсоновскимдостижением», но никогда не утверждал, что он открыл расширениеВселенной. Сомнения по поводу интерпретации красного смещения вспектрах галактик оставались у него до конца жизни. Например, впопулярнойзаметке,изданнойв1946году,оннаписал:«Свет,приходящийкнамоттуманностей,теряетэнергию,пропорциональнопройденномуимрасстоянию. Этот факт установлен, но его объяснение все еще остаетсянеясным». Определенная непоследовательность Хаббла в этом вопросе,возможно, помешала ему стать первым астрономом, которыйполучил быНобелевскуюпремиюпофизике.Ксожалению,Хабблпростонеуспелееполучить–ондолженбылстатьлауреатомпремииза1953год,однаконедожил до нее несколько месяцев, а посмертно Нобелевская премия невручается.Как видно из моего рассказа (конечно, неполного), расширениеВселенной было открыто в результате многолетней и целеустремленнойработы многих исследователей – как наблюдателей, так и теоретиков. Вобласти наблюдений основополагающими были работы Слайфера,измерившего красные смещения ближайших галактик, и Хаббла,научившегося оценивать их расстояния. Теоретическая возможностьнестационарности нашей Вселенной была открыта Фридманом(поэтическую Вселенную Эдгара По считать серьезной космологическоймоделью все-таки сложно), Леметр подтвердил это открытие и впервыесравнилнаблюдениястеорией.Отчастикурьезомвыглядитто,чтоработыФридмана и Леметра остались незамеченными, в то время какискусственная модель де Ситтера послужила стимулом длянаблюдательных работ по поиску связи ν и r . Окончательный синтезтеорииинаблюденийсложилсявначале30-хгодов,причемоченьбольшой

вкладвпропагандуновойкартиныВселеннойвнесАртурЭддингтон.

2.2.РасширяетсялиВселеннаянасамомделе?

Размышляя над всей этой историей, я исходил изпредпосылки, что истиной, какой бы невероятной онани казалась, является то, что останется, еслиотбросить все невозможное. Не исключено, что этооставшееся допускает несколько объяснений. В такомслучаенеобходимопроанализироватькаждыйвариант,поканеостанетсяодин,достаточноубедительный.

АртурКонанДойл

Почемувсе такуверены,чтоВселеннаядействительнорасширяется?Внаучнойлитературереальностьрасширенияужепочтинеобсуждается,таккакпрофессиональныеученые,знающиепроблемувовсейееполноте,вэтомпрактическинесомневаются.Активныеобсужденияэтоговопросачасто вспыхивают на разного рода интернет-форумах, где представителитакназываемой«альтернативнойнауки»(впротивовес«ортодоксальной»)снова и снова пытаются «изобрести велосипед» и найти другое, несвязанное с удалением объектов, объяснение наблюдаемому в спектрахгалактик красному смещению. Такие попытки, как правило, основаны нанезнании того, что, помимо красного смещения, есть и другиесвидетельствавпользуреальностикосмологическогорасширения.Строгоговоря, стационарность Вселенной была бы гораздо большей проблемойдлянауки,чемеерасширение!

Современная наука представляет собой плотно сотканную тканьвзаимосвязанных результатов или, если угодно, постоянно строящеесяздание,изоснованиякоторогоуженельзявытащитьниодинизкирпичейбезтого,чтобывсезданиенерухнуло.РасширениеВселеннойисозданнаянаегоосновекартинастроенияиэволюцииВселеннойисоставляющихееобъектов–одинизтакихбазовыхрезультатовсовременнойнауки.

Носначаланесколькословонедоплеровскойинтерпретациикрасногосмещения.Вскорепослеоткрытиязависимостиzотрасстояниявозникла–иэтовполнеестественно–идея,чтокрасноесмещениеможетбытьсвязаноне с удалениемобъектов, а с тем, что попути от далеких галактик часть

энергии фотонов теряется и, следовательно, длина волны излученияувеличивается,оно«краснеет».Приверженцамитакойточкизрениябыли,к примеру, один из основоположников астрофизики в России А. А.Белопольский, а также Фриц Цвикки – один из самых нестандартномыслящихиплодотворныхастрономовXXвека.Кподобномуобъяснениюz время от времени склонялся и самХаббл. Вскоре, однако, выяснилось,чтоподобныепроцессыпотериэнергиифотонамидолжнысопровождатьсяразмываниемизображенийисточников(чемдальшегалактика,темсильнееразмытие),чтоненаблюдалось.Другойвариантэтогосценария,какбылопоказано советским физиком М. П. Бронштейном, предсказывал, чтоэффектпокраснениядолженбытьразнымвразныхчастяхспектра,тоестьондолжензависетьотдлиныволны.Кначалу60-хгодовXXвекаразвитиерадиоастрономии закрыло и эту возможность – для данной галактикивеличина красного смещения оказалась не зависящей от длины волны.Знаменитый советский астрофизик В. А. Амбарцумян еще в 1957 годурезюмировал ситуацию с разными вариантами интерпретации красногосмещения таким образом: «Все попытки объяснить красное смещениекаким-либо механизмом, отличным от принципа Доплера, окончилисьнеудачей. Эти попытки вызывались не столько логической или научнойнеобходимостью, сколько известным страхом… перед грандиозностьюсамогоявления…».

Рассмотрим теперь несколько наблюдательных тестов,поддерживающих картину глобального космологического расширенияВселенной.Первыйизнихбылпредложенещев1930годуамериканскимфизиком Ричардом Толменом. Толмен обнаружил, что так называемаяповерхностная яркость объектов будет вести себя по-разному встационарнойиврасширяющейсяВселенной.

Поверхностная яркость – это просто энергия, излучаемая единицейплощадиобъектавединицувремени(например,засекунду)вкаком-нибудьнаправленииили,болееточно,вединицетелесногоугла.ВстационарнойВселенной, в которой причиной красного смещения является какой-тонеизвестныйзаконприроды,приводящийкуменьшениюэнергиифотоновпо пути к наблюдателю («старение» или «усталость» фотонов),поверхностная яркость объекта должна уменьшаться пропорциональновеличине 1 + z . Это означает, что, если галактика находится на такомрасстоянии,чтодлянееz=1,тоонадолжнавыглядетьвдваразатусклеепосравнениюстакимижегалактикамивблизинас,тоестьприz=0.

В расширяющейся Вселенной зависимость яркости (имеется в видуболометрическая, то есть полная, просуммированная по всему спектру,

яркость)открасного смещениястановится гораздо сильнее–она спадаеткак(1+z)4.Вэтомслучаеобъектсz=1будетвыглядетьуженев2,ав16разболеетусклым.Причинойстольсильногопаденияяркостиявляетсято,что, помимо уменьшения энергии фотонов из-за красного смещения, приреальномудалениигалактикначинаютработатьдополнительныеэффекты.Так, каждый новый фотон, испускаемый далекой галактикой, будетдобиратьсядонаблюдателясвсебольшегорасстоянияитратитьнадорогувсе большее время. Интервалы между приходами фотонов возрастут и,значит,заединицувременинаприемникизлучениябудетпопадатьменьшеэнергииинаблюдаемаянамигалактикабудетказатьсяслабее.Крометого,вслучаереальногорасширениязависимостьугловогоразмерагалактикиотzбудет другой, чем для стационарной Вселенной, что также приводит кизменениюеенаблюдаемойповерхностнойяркости.

ТестТолменавыглядиточеньпростыминаглядным–действительно,достаточно взять два сходных объекта на разных красных смещениях исравнить их яркости. Однако технические сложности его осуществлениятаковы, что применить этот тест смогли лишь относительно недавно – вдевяностых годах XX века. Сделал это ученик и последователь Хабблазнаменитый американский астроном Алан Сендидж [13] . Совместно сразнымиколлегамиСендиджопубликовалцелуюсериюстатей,вкоторыхонрассмотрелтестТолменадлядалекихэллиптическихгалактик.

Эллиптические галактики примечательны тем, что они относительнопросто устроены. В первом приближении их можно представить какгигантские конгломераты родившихся практически одновременно звезд,имеющие сглаженное, без каких-либо особенностей, крупномасштабноераспределениеяркости(ярчайшиегалактикинарис.16относятсякакразкэтомутипу).Уэллиптическихгалактиксуществуетпростоеэмпирическоесоотношение, связывающие воедино их основные наблюдательныехарактеристики – размер, поверхностную яркость и разброс скоростейзвездвдольлучазрения.(Приопределенныхдопущенияхэтосоотношениеявляется следствием предположения об устойчивости эллиптическихгалактик.) Разные двумерные проекции этой трехпараметрическойзависимости также показывают хорошую корреляцию например,существует зависимость между размером и яркостью галактик. Значит,сравнивая эллиптические галактики одного характерного линейногоразмеранаразныхz,можнореализоватьтестТолмена.

Примерно так и действовал Сендидж. Он рассмотрел несколькоскоплений галактик на z ~ 1 и сравнил поверхностные яркостинаблюдаемых в них эллиптических галактик с данными для подобных

галактик вблизи нас. Для корректности сравнения Сендиджу пришлосьучесть ожидаемую эволюцию яркостей галактик за счет «пассивной»эволюциисоставляющихихзвезд,однакоэтапоправкавнастоящеевремяопределяется вполне надежно. Результаты оказались однозначными –поверхностнаяяркостьгалактикизменяетсяпропорционально1/(1+z)4и,следовательно, Вселенная расширяется.Модель стационарной Вселеннойсо«стареющими»фотонаминеудовлетворяетнаблюдениям.

Еще один интересный тест был также предложен очень давно, ареализован лишь относительно недавно. Фундаментальным свойствомрасширяющейся Вселенной является кажущееся замедление времени удалеких объектов. Чем дальше от нас в расширяющейся Вселеннойнаходятсячасы,теммедленнее,какнамкажется,ониидут–набольшихzдлительность всех процессов кажется растянутой в (1 + z ) раз (рис 22).(Этот эффект подобен релятивистскому замедлению времени вспециальнойтеорииотносительности.)Поэтому,еслинайтитакие«часы»,которые можно наблюдать на больших расстояниях, то можнонепосредственнопроверитьреальностьрасширенияВселенной.

Рис. 22. Импульсы, испущенные далеким объектом на красномсмещенииzсинтерваломв1секунду,доберутсядонассинтервалами1+zсекунд.

В 1939 году американский астроном Олин Вилсон опубликовалзаметку, в которой он отметил удивительное постоянство формы кривыхблескасверхновыхзвезд(см.примеркривойблескасверхновойТихоБрагенарис.4,атакжерис.23)ипредложилиспользоватьэтикривыевкачестве

«космологических часов». Вспышка сверхновой – это один из самыхмощныхкатастрофическихпроцессоввоВселенной.Входетакойвспышкизвездасоскоростью~104км/ссбрасываетоболочкусмассой,сравнимойсмассойСолнца.Приэтомзвездастановитсяярчевдесяткимиллионовраз,ивмаксимумеблескаонаспособназатмитьвсюгалактику,вкоторойонавспыхнула. Столь яркий объект, естественно, виден на очень больших,космологических расстояниях. Как можно использовать кривые блескасверхновых в качестве «часов»? (Их можно использовать и в качестве«стандартнойсвечи»,нообэтомярасскажучутьпозже.)Во-первых,невсесверхновые одинаковы по своим наблюдательным проявлениям и покривым блеска. Их делят на два типа (I и II), а те в свою очередьподразделяютнанесколькоподтипов.Вдальнейшеммыбудемобсуждатьтолько кривые блеска сверхновых типа Ia. Во-вторых, даже у этого типазвезд кривые блеска на первый взгляд выглядят очень разнообразными исовсемнеочевидно,чтоснимиможносделать.Например,нарисунке23показаны наблюдаемые кривые блеска нескольких близких сверхновыхтипа Ia. Эти кривые довольно сильно отличаются: например, светимостипоказанныхнарисункезвездвмаксимумеблескаразличаютсяпочтивтрираза.

Рис. 23. Кривые блеска SN Ia: на верхнем рисунке показанынаблюдаемые кривые, на нижнем они сведены в одну с учетомкорреляциимеждуформойкривойблескаисветимостьюсверхновойвмаксимуме. По горизонтальной оси отложены дни после максимумаблеска, по вертикальной – абсолютная звездная величина (мерасветимости).ПоданнымпроектаCalan-TololoSupernovaSurvey

Ситуацию спасает то, что разнообразие форм наблюдаемых кривыхблеска подчиняется четкой корреляции: чем ярче SN в максимуме, темболее плавно затем спадает ее яркость. Эта зависимость была открытасоветскимастрономомЮриемПсковскимещев1970-хгодахипозднее–уже в 1990-х – была подробно изучена другими исследователями.Оказалось,чтосучетомэтойкорреляциикривыеблескаSNIaудивительнооднородны (см. рис. 23) – например, разброс светимостей SN Ia вмаксимумеблескасоставляетлишьоколо10%!Следовательно,изменениеблеска у SN Ia может рассматриваться как стандартный процесс,длительность которого в локальной системе отсчета хорошо известна.Использование этих «часов» показало, что у далеких сверхновых (сейчасобнаруженоуженесколькодесятковSNсz>1)изменениявидимогоблескаи спектра замедлены на множитель (1 + z ). Это являетсянепосредственным и очень сильным аргументом в пользу реальностикосмологического расширения. Еще одним аргументом является согласиевозраста Вселенной, получаемого в рамках модели расширяющейсяВселенной, с возрастом реально наблюдаемых объектов. Расширениеозначает, что с течением времени расстояния между галактикамиувеличиваются. Мысленно обратив этот процесс вспять, мы приходим квыводу, что это глобальное расширение должно было когда-то начаться.Зная текущий темп расширения Вселенной (он определяется значениемпостоянной Хаббла) и баланс плотностей составляющих ее подсистем(обычное вещество, темная материя, темная энергия), можно найти, чторасширение началось примерно 14 миллиардов лет назад. Значит, мы недолжны наблюдать в нашей Вселенной объекты с возрастом,превышающимэтуоценку.

Но как можно найти возраст космических объектов? По-разному.Например, с помощью радиоактивных «часов» – методами ядернойкосмохронологии, которые позволяют оценивать возраст объектов путеманализа относительной распространенности изотопов с большимипериодами полураспада. Изучение содержания изотопов в метеоритах, вземныхилунныхпородахпоказало,чтовозрастСолнечнойсистемыблизокк 5 млрд лет. Возраст Галактики, в которой находится наша Солнечнаясистема, конечно, больше. Его можно оценить по времени, котороенеобходимо для образования наблюдаемого в Солнечной системеколичества тяжёлых элементов. Расчеты показывают, что синтез этихэлементовдолженбылпродолжатьсявтечение~5млрдлетдообразованияСолнечной системы. Следовательно, возраст окружающих нас областейМлечногоПутиблизокк10млрдлет.

Другой способ датирования Млечного Пути основан на оценкевозраста составляющих его старейших звезд и звездных скоплений. Этотметод основан на теории звездной эволюции, хорошо подтвержденнойразнообразными наблюдениями. Результат этого подхода – возрастразличныхобъектовГалактики(звезд,шаровыхскоплений,белыхкарликови пр.) не превышает ~10–15 млрд лет, что согласуется с современнымипредставлениямиовремениначалакосмологическогорасширения.

Возраст других галактик определить, конечно, сложнее, чем возрастМлечного Пути. У далеких объектов мы не видим отдельные звезды ивынуждены изучать лишь интегральные характеристики галактик –спектры, распределение яркости и пр. Эти интегральные характеристикискладываютсяизвкладовогромногочисласоставляющихгалактикизвезд.Кроме того, наблюдаемые характеристики галактик сильно зависят отналичияираспределениявнихмежзвезднойсреды–газаипыли.Всеэтитрудности преодолимы и современные астрономы научилисьвосстанавливать истории звездообразования, которые должны былипривести к наблюдаемым в настоящее время интегральнымхарактеристикамгалактик.Угалактикразныхтиповэтиисторииразличны(например, эллиптические галактики возникли в ходе мощной одиночнойвспышки звездообразования много миллиардов лет назад, в спиральныхгалактикахзвездырождаютсяивнастоящеевремя),однаконеобнаруженогалактик, начало звездообразования в которых превышало бы возрастВселенной. Кроме того, наблюдается вполне определенный, ожидаемыйдля реально расширяющейся Вселенной, тренд – чем дальше по z мызабираемсявоВселенную,тоестьпереходимквсеболеераннимэтапамееэволюции,тем,всреднем,болеемолодыеобъектымынаблюдаем.

Важными аргументами, поддерживающими расширение Вселенной,являются также существование реликтового излучения, наблюдаемоеувеличение его температуры с ростом красного смещения, а такжесодержание элементов во Вселенной, но об этом я расскажу чуть позже.Закончить же свой рассказ я хочу, быть может, самым нагляднымсвидетельствомрасширенияВселенной–изображениямидалекихгалактик(см.примернарис.24).

Одними из самых эффектных результатов работы космическоготелескопа «Хаббл» (Hubble Space Telescope), несомненно, являютсязамечательные картинки разнообразных космических объектов –туманностей,звездныхскоплений,галактикипр.Наблюдениямизкосмосане мешает земная атмосфера, размывающая изображения, и поэтомуснимкиHSTпримерно в десять раз более четкие, чемназемные.На этих

очень четких снимках (их угловое разрешение составляет около 0.″1) в1990-х годах впервые удалось детально рассмотреть структуру далекихгалактик. Как оказалось, далекие галактики не похожи на те, что мынаблюдаем около нас. С ростом красного смещения увеличивается доляасимметричных и неправильных галактик, а также галактик в составевзаимодействующих и сливающихся систем: если при z = 0 к такимобъектамможноотнестилишьнесколькопроцентовгалактик,токz=1ихдолявозрастаетдо~30-40%.

Рис. 24. Фрагмент Сверхглубокого поля космического телескопа«Хаббл» (размер изображения 30″ × 30″)· Большинство видимых нарисунке галактик имеют z ~ 0.5 ÷ 1, то есть они относятся к эпохе,когдаВселеннаябылапримерновдвоемоложе.

Почему это происходит? Простейшее объяснение связано срасширением Вселенной – в более ранние эпохи взаимные расстояния

междугалактикамибылименьше(приz=1онибыливдваразаменьше)и,следовательно, галактики должны были чаще возмущать друг другаблизкими прохождениями и чаще сливаться. Этот аргумент не являетсястоль однозначным, как упомянутые раньше, однако он наглядносвидетельствует о вполне определенной, соответствующей картинерасширяющейся Вселенной, эволюции свойств галактик со временем.Итак, расширение Вселенной подтверждается разнообразными,совершенно не связанными друг с другом, независимыминаблюдательными тестами. Кроме того, нестационарность Вселеннойнеизбежно возникает и при теоретических исследованиях ее структуры иэволюции. Все это позволило знаменитому советскому физику-теоретикуЯкову Зельдовичу еще в начале 1980-х годов заключить, что теорияБольшоговзрыва,основойкоторойявляетсярасширениеВселенной,«стольженадежноустановленаиверна,скольверно,чтоЗемлявращаетсявокругСолнца. Обе теории занимали центральное место в картине мирозданиясвоеговремени,иобеимелимногопротивников,утверждавших,чтоновыеидеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Ноподобные выступления не в состоянии препятствовать успеху новыхтеорий».

2.3.ЧтоозначаетрасширениеВселенной?–Всестраньшеистраньше!–ВскричалаАлиса…–

Я теперь раздвигаюсь, словно подзорная труба.Прощайте,ноги!(Вэтуминутуонакакразвзглянулананоги и увидела, как они стремительно уносятся вниз.Ещемгновение–ионискроютсяизвиду).

ЛьюисКэрролл

Итак,нашаВселеннаярасширяется.Однакочтоэтоозначает?Естьлицентр,изкоторогоначалосьрасширение,игдеоннаходится?Чтобылодоначалаэтогорасширения?ЧтонаходитсявнеВселенной–ведьонадолжнарасширятьсявочто-то?Этииподобныеимвопросычастовозникаютприпервомзнакомствескосмологией.

Скажу сразу, что такие вопросы в их простейшей формулировкелишены смысла и они, как правило, основаны на сравнении процессарасширения Вселенной с обычным взрывом. Стивен Хокинг предложилтакую аналогию: почти в любом месте на Земле вопрос о том, чтонаходитсяксеверуотнего,имеетсмысл,новточкеСеверногополюсаэтотвопросстановитсябессмысленным.ТакиразговороструктуреирожденииВселенной в терминах непосредственного житейского опыта также неимеетсмысла.

Слово «взрыв» появилось в названии стандартной космологическоймодели уже довольно давно. Весной 1949 года знаменитый английскийастрофизик Фред Хойл выступил на радио ВВС с серией научно-популярных передач об астрономии и, рассказывая о моделирасширяющейся Вселенной, впервые назвал ее знаменитым сейчастермином «Большой взрыв» – «Big Bang». (На самом деле слово «Bang»правильнее переводить с английского как «удар», «стук», звук удара иливзрыва–«бац»,«бабах».)Возможно,Хойлвложилвэтисловаироническийсмысл, так как он был противником стандартной космологии и авторомсобственнойтеориистационарнойВселенной,возможно,онпростохотел,чтобы слушатели лучше представили себе эту модель, но, как бы то нибыло, вскоре это название стало практически синонимом теориирасширяющейся Вселенной. Не исключено, что не вполне корректныйперевод введенного Фредом Хойлом термина нанес больше вреда

пониманию модели расширяющейся Вселенной для русскоязычныхлюбителей астрономии, чем его – Хойла – критика теории Большоговзрыва!

Дело в том, что расширяющаяся Вселенная не является результатом«взрыва» в обычном понимании. Расширение при взрыве любоговзрывчатого вещества происходит из-за разности давления продуктоввзрыва и окружающей среды (например, воздуха). В эволюционирующейВселеннойникакихградиентовдавлениянет.Приобычномвзрывевсегдаможно локализовать его центр, кроме того, всегда можно указать, кударазлетаютсяостаткивзрыва.ВрасширяющейсяВселеннойнетницентра,ни стандартно трактуемогоокружающегопространства.ЭдвардХаррисонсформулировал это так: «вселенная не в пространстве, она содержитпространство». Так как можно представить себе расширение Вселенной?[14]

По-видимому,самаяпопулярнаяаналогия,хотя,какилюбаяаналогия,невполнеточная,былапредложенаещев1930годуАртуромЭддингтоном.В статье, посвященной обсуждению устойчивости замкнутойкосмологической модели Эйнштейна, он сравнил процесс расширения сраздуванием резинового шара, причем галактики и все другие объектынаходятся на поверхности этого шара (рис. 25). Очевидно, что по мерераздуванияшарагалактикибудутудалятьсядруготдруга,причемвкаждойточкеповерхностишарабудетказаться,чтовсеобъектыудаляютсяименноотэтогоместа.Темсамым,центррасширениярезинового«пространства»будетнаходитьсявнеэтого«пространства».

Рис. 25. Модель расширения Вселенной в виде раздувающегосявоздушного шарика. При раздувании шара расстояния междугалактиками увеличиваются, хотя сами галактики остаютсянеподвижными по отношению к сопутствующей, расширяющейсявместе с шариком, системе координат (вертикальные игоризонтальныелиниинашарах).Размерысамихгалактиктакженеменяются в ходе расширения Вселенной (рисунок из статьиЛиневивераиДэвис(2005))

Другая наглядная модель расширения Вселенной – это кусокобыкновенного теста с вкрапленными в него изюминками. По мереразбуханиятестаизюминки(галактики)начинаютудалятьсядруготдруга,однако по отношению к окружающему тесту (пространству) изюминкиникуда не двигаются. Отсутствует и центр расширения – если нерассматривать области вблизи границы куска, то «разбегание» изюминокможно обнаружить в каждой точке теста. По-другому представил себерасширяющуюсяВселеннуюамериканскийхудожникДжосайяМакИлхени(рис. 26). В его скульптуре (!), вдохновленной беседами с известнымкосмологом Девидом Вайнбергом, сам момент начала космологическогорасширения скрыт центральной алюминиевой сферой. Эта сфераизображает так называемую поверхность последнего рассеяния (см.следующийпараграф),изкоторойвразныхнаправленияхторчатстержни.Стержни – это не траектории частиц, это визуализация времени: длинастержней служит мерой времени, прошедшего после начала расширения.Стержниимеютразнуюдлину,иихконцахзакрепленыстеклянныедиски,изображающиегалактикииихскопления,атакжелампочки(квазары).Припродвижении от центра скульптуры к ее краям происходит эволюциясвойств космических объектов – растут размеры галактик и скоплений,появляются эллиптические галактики (стеклянные шарики), яркость ичастотавстречаемостилампочекменяютсяв соответствииснаблюдаемойэволюцией свойств квазаров. Стоя возле этой скульптуры, можно читатьлекциипокосмологиииэволюциигалактик!

Рис. 26. «An End to Modernity» – скульптура, иллюстрирующаяэволюцию нашей Вселенной (©МакИлхени 2005). Photo courtesy theartistCollectionTateModern,London,UnitedKingdom

Вернемся снова к расширению Вселенной. При описании обычноговзрыва мы можем говорить о скорости разлета его продуктов поотношению,например,кцентрувзрыва.ВслучаерасширенияВселеннойна больших – космологических – расстояниях понятия скорости ирасстояниятеряютсвоюоднозначность,становятсямодельнозависимыми.Поэтомудляописаниярасширенияастрономыиспользуютвеличину,легкоопределяемую из наблюдений, – красное смещение ( z ) в спектрахгалактик.

Рис. 27. Формирование красного смещения (λ0 – длина волны,испущеннаяудаляющимсяиз-зарасширенияВселеннойисточником;λ–длинаволныэтогожеобъектапринаблюденияхсЗемли)

Врамкахстандартныхпредставленийкрасноесмещениевозникаетиз-

зарасширенияВселенной–впроцессераспространенияврасширяющемсяпространстведлиныволнфотоновнепрерывнорастут(рис.27).Этотростпропорционален так называемому масштабному факторуR ( t ), которыйхарактеризуетизменениесовременем(t)пространственныхрасстоянииводнороднорасширяющейсяВселенной:

где R ( t ) – масштабный фактор в настоящую эпоху, а R ( t 0) –значение этого фактора в более раннюю эпоху t 0 , когда был испущенрегистрируемыйвнастоящеевремяфотон.

Несколько числовых примеров. Как видно из приведенной вышеформулы, красному смещению, равному 1, соответствует отношениемасштабных факторов, равное 2, что означает, что при z = 1 расстояниямежду несвязанными гравитационно объектами были в 2 раза меньше.Крометого,длинаволныизлучения,распространяющегосяотгалактикисz=1,увеличиласькнастоящемувременив2раза.Посравнениюсэпохой,когда z было равно 9, расстояния увеличились в 10 раз, в 10 разувеличилисьидлиныволндетектируемогонаЗемлеизлучения.

Связьмеждувременемикраснымсмещениемнелинейная,и зависитотпринятоймоделиВселенной.Так,врамкахсовременныхпредставленийнашей эпохе ( z= 0) соответствует время после начала космологическогорасширения, равное примерно 14млрд лет.ВозрастВселенной при z= 1равенпримерно6млрдлет,тоестьнасоттойэпохиотделяютпочти8млрдлет. К z= 9 – примерно на этом красном смещении сейчас наблюдаютсясамые далекие галактики – Вселенная расширялась лишь около 500 млнлет.

Раньше в научно-популярной литературе было принятохарактеризовать далекие квазары и галактики скоростью, с которой ониудаляются от нас. Например, рассказывая об удаленном квазаре, авторы,чтобыпоразитьвоображениечитателя,писали,чтоонудаляетсяотнассоскоростью,составляющей90%скоростисвета.Длярасчетаскорости,какправило, использовали релятивистскую, то есть полученную в рамкахспециальной теории относительности, формулу для эффекта Доплера.Такойподход,конечно,неверен.Во-первых,этаформулаприменималишьдляотклоненийот глобального космологического расширения (например,для описания пекулярных, вызванных взаимодействием друг с другом,скоростей галактик) и она не подходит для описания глобального

расширения. В случае расширяющейся Вселенной связь между z искоростью выражается более сложным образом, чем по формуле дляэффектаДоплера.Во-вторых,какобычносчитается,увеличениедлинволнприкосмологическомрасширении– это вообщене эффектДоплера в егоклассическомпонимании.

Остановлюсь на последнем утверждении чуть подробнее. Обычный,знакомыйсошколы,эффектДоплера–этоизменениедлиныволныфотона,излученного источником, движущимся в обычном пространстве, в«жесткой»системекоординат.Приэтомскоростьфотонапоотношениюикисточникуизлучения,икнаблюдателюравнаскоростисветаи,крометого,сиспущеннымфотономпопутидонаблюдателяничегонепроисходит.Врасширяющемся пространстве фотон движется со скоростью светаотносительно той точки, в которой он находится, но из-за глобальногорасширения каждая такая точка непрерывно удаляется от наблюдателя.Изменение длины волны фотона происходит непрерывно на протяжениивсего пути до наблюдателя (рис. 27), так что итоговое красное смещениеявляется кумулятивным эффектом. Можно, упрощая, сказать, что вобычном эффекте Доплера объекты перемещаются в пространстве, а приформировании космологического красного смещения объекты никуда недвигаются, а расширяется само пространство между ними, включаяраспространяющеесявнемизлучение.

В относительно небольших областях пространства, в которыхрасширениепроисходитсмалымиотносительнымискоростями(Δz≤0.1),связь космологического z и скорости совпадает с формулой дляклассическогоэффектаДоплера.Поэтомувастрономииивозниклаотчастинеудачнаятрадицияоперироватьскоростямиудалениягалактик,чтоимеетсмысллишьдляv<<c,идляпростотыговоритьокрасномсмещениикакоб эффекте Доплера. Корректнее этот эффект называть, скажем,космологическимэффектомДоплера[15].Таким образом, наблюдаемое в спектрах галактик красное смещениеимеет, по меньшей мере, две составляющие – космологическое z ,вызванное расширением Вселенной, и классическое доплеровское,связанное с упоминавшимися чуть ранее пекулярными скоростямигалактикиз-заихвзаимодействиядругсдругом.(Конечно,вкладвкрасноесмещение дают лишь радиальные составляющие этих скоростей.)Пекулярныескоростигалактик,какправило,малы(сотни–тысячикм/с)ипоэтому их вклад в итоговое красное смещение далеких галактикнезначителен.Естьещеодин–третий–фактор,влияющийнанаблюдаемоеz , – гравитационное красное смещение, связанное с «покраснением»

фотонов, удаляющихся от массивных объектов. В большинстве случаеввкладэтогоэффектатакжемалпосравнениюсглобальнымрасширением.

2.4.РеликтовоеизлучениеВремя настало. Эксперимент должен начаться.

Наклонившись вперед, он устремил взгляд во тьму ипроизнес:

–Дабудетсвет.Исталсвет.

ЭрикФренкРассел

Существованиеисвойстватакназываемогореликтовогоизлучения(ванглоязычной литературе принято название «космическое микроволновоефоновое излучение» или просто CMBR) – краеугольный каменьсовременной космологии. Именно открытие этого излучения в середине1960-х годов привело к всеобщему признанию теории Большого взрыва.Предсказание реликтового излучения связано с именем русского, авпоследствии американского, физика Георгия Гамова – свою научнуюкарьеруонначалвРоссии,азатемв1934годунавсегдаперебралсявСША(рис.28).Однакоуэтогооткрытиябылаипредыстория.

Рис.28.ГеоргийАнтоновичГамов(1904–1968)Вмае1931ЖоржЛеметропубликовалнебольшуюзаметку,вкоторой

он попытался впервые рассмотреть самые ранние стадии образованияВселенной с точки зрения физики. Он предположил, что Вселеннаяродиласьпривзрыве,понимаемом,по-видимому,буквально,сверхплотного«первичного атома» (при этом сразу вспоминается «Первичная Частица»Эдгара По). Этот первичный атом представляет по Леметру гигантское,размеромвнесколькоастрономическихединиц,атомноеядросогромныматомнымномеромимассой,равноймассеВселенной.Атомнеустойчив,иза счет «сверхрадиоактивности» онначал распадаться «на всеменьшиеименьшие атомы». Леметр предположил, что остатки этого первичногорадиоактивного взрыва наблюдаются до сих пор в виде так называемыхкосмическихлучей–потоковчастицвысокойэнергии,приходящихсовсехнаправлений из космического пространства. Эти идеи Леметра непривлекли особого внимания и не получили развития. Сама концепциярасширяющейся Вселенной в те годы еще только складывалось, а ужнаблюдаемый в настоящее время некий «реликт» ранних стадий ееэволюцииказалсяполнойфантастикой.

Ещеодинклассиккосмологии–РичардТолмен–в1930-хгодахввелидею термодинамической истории расширяющейся Вселенной ирассмотрелповедениеизлученияприрасширении.Онпоказал,что,есливоВселенной есть излучение со спектром, соответствующим спектруизлученияабсолютночерноготела,тотакоеизлучениевходерасширениябудетостывать,сохраняясвойчерно-тельныйхарактер.

В1940-хгодахккосмологииобратилсяГеоргийГамов.Егоинтерескрасширяющейся Вселенной был не случаен – в 1920-х годах он слушаллекции А. А. Фридмана в Ленинградском университете и еще в те годыпланировал заняться релятивистской космологией. Гамов был оченьнеобычным человеком и еще более необычным ученым.О нем написаномного воспоминаний и книг, в его честь продолжают собиратьсяконференции,каквРоссии,такизарубежом.Лучшевсего,наверное,онемскажутприводимыенижевысказыванияегоколлегиучеников.

Станислав Улам, знаменитый американский математик польскогопроисхождения, писал: «Воистину «трехмерный» человек, он источалэнергию,былполонжизни…любиланекдотыиковарныешутки,которыммоготдаваться,незнаямеры…

Банахкак-тосказалмне:«Хорошиематематикивидятаналогиимеждутеоремами или теориями, а лучшие математики видят аналогии междуаналогиями». У Гамова эта способность усматривать аналогии междумоделями, описывающими физические теории, проявлялась споразительным размахом. Было удивительно наблюдать, как при тех

невиданно сложных и крайне труднопостигаемых уровнях, на которыхприменяласьнамиматематика,онмогзаходитьтакдалековиспользованииинтуитивных образов и аналогий, черпая их из исторических и дажехудожественныхсопоставлений».

Эдвард Теллер, «отец американской водородной бомбы», вспоминал,что идеи Гамова были фантастичными. Иногда правильными, чащенеправильными,новсегдаинтересными.Онтакженаписал,что,когдаондумает о Гамове, он думает о простых, красивых и ведущих к целифизическихидеях.

Вера Рубин, одна из пионеров исследования скрытой массы вгалактиках,вначале1950-хгодовбылааспиранткойГамова.Онаотмечала,что Гамов был далеко впереди астрономического общественного мнения,как, впрочем, и доступных астрономических данных. По ее мнениювеличайшеезначениеГамовасостояловтом,чтоонзадавалпророческие,далекоидущиевопросы.

Роберт Херман (вскоре он появится на этих страницах) писал, чтоГамовбылоднимизвеличайшихфизиковXXстолетия,чейинтуитивныйгений часто превышал чисто технические способности развиватьсобственные идеи. По мнению Хермана, к сожалению, Гамов так и неполучил при жизни то формальное признание, которое он заслуживал замногиевыдающиеся,созидательныедостижения.

ОднимизтакихдостиженийявилосьсозданиетеориигорячегоначалаВселенной. Для Гамова казалось очевидным, что Вселенная родилась изгорячего и сверхкомпактного состояния. (Гамов считал, что эта идеяпринадлежит Фридману, однако сам Фридман в своих публикациях отемпературеВселеннойнигденеупоминал.)Гамовпредположил[16],чтов ранней Вселенной в условиях гигантских плотностей и температурпроизошел синтез всех химических элементов. Он также понял, чтоядерныереакции в раннейВселеннойпротекали в сильнонеравновесныхусловиях, причем в течение очень короткого времени, так как Вселеннаястремительно расширялась и ее плотность и температура такжестремительно падали. По сути, идея Гамова была почти правильной –космическая распространенность двух самых главных элементов –водорода и гелия – и в самом деле объясняется ядерными реакциями вранней Вселенной, однако более тяжелые элементы синтезируются, какбыловыясненопозднее,взвездах,впроцессеихэволюции.Развитиеэтихидей требовало проведения очень нелюбимых Гамовым сложных игромоздких расчетов и поэтому в 1946 году он подключил к работе попервичному нуклеосинтезу своего аспиранта Ральфа Альфера, а затем и

молодогофизикаРобертаХермана.В 1948 году Гамов рассмотрел поведение вещества и излучения в

расширяющейсяВселенной.НасамойраннейстадииэволюцииВселеннаясостояла из смеси вещества и излучения, находившихся втермодинамическом равновесии при колоссальной температуре, причемплотность энергии излучения преобладала над плотностью вещества. Померерасширенияплотности энергииизлученияи вещества уменьшались,законыпадения были разными (плотность излучения спадала быстрее), ипоэтому должен был наступить момент, когда они – эти плотности –сравниваются. Эпоха, когда преобладание излучения над веществомсменяется доминированием вещества, имеет по Гамову очень важноекосмогоническое значение – только после этого момента возможнообразование галактик за счет гравитационной неустойчивости материи.Гамов привел грубую, но верную по порядку величины, оценкутемпературывпереходнуюэпохуэволюцииВселенной:~103К.

В своей работе Гамов использовал простые аппроксимации иприближенныеоценки.АльфериХерманктомувремениполучилиточныерешения уравненийФридмана для расширяющейсяВселенной и, узнав орезультатахГамова,поняли,чтомогутуточнитьегооценкидляпереходнойэпохи. Гамов помог быстрой публикации заметки своих учеников, и онавышла из печати всего через 2 недели после его собственной. ТакпоявиласьзнаменитаяработаАльфераиХермана,важнейшимрезультатомкоторой стала первая оценка современной температуры заполняющегоВселеннуюреликтовогоизлучения–5К.(ВработеГамоваэтойоценкинебыло – он оценил температуру излучения лишь в «демаркационную»,переходнуюэпоху.)

ОценкатемпературыреликтовогоизлучениябылаполученаАльфероми Херманом на основе относительно громоздких вычислений. Гамов нелюбил длинных вычислений, кроме того, он, по-видимому, полагал, чтостоль фундаментальный результат можно получить проще – из общихсоображений. Поэтому, к удивлению своих учеников, он в последующиегоды неоднократно возвращался к оценке современной температурыреликтового излучения, применяя для этого столь любимые им простыесоображенияиприближенныеформулы[17].

В1953 годуна основеобщихформулкосмологическойдинамикионполучил7К,ав1956году–6К.Учитываяуровеньразвитиякосмологии1940-1950-хгодов,согласиесреальнымзначением(3К)следуетпризнатьпростопревосходным!

Итак, существование слабого «отблеска» Большого взрыва

предсказано, но можно ли его обнаружить? Вопреки иногдавстречающемуся мнению, пионеры понимали важность наблюденийреликтовогоизлученияидажепредпринималидля этогонекоторыешаги.Еще в конце 1940-х годов Альфер и Херман обсуждали этот вопрос сэкспертамипорадарам(пристольнизкойтемпературемаксимумизлученияреликтового излучения должен был находиться в радиодиапазоне), но,очевидно, без успеха – в те годы радиоастрономия находилась еще впроцессестановления!КаквспоминалАланСендидж,всередине1950-хунего состоялся разговор с Джеймсом Фоллиным, который в то времясотрудничал с Альфером и Херманом. К своему удивлению Сендиджуслышал, что они планируют использовать ракетные наблюдения дляобнаружения предсказанного ранее «5 К» излучения. Сендидж, не оченьпоняв,очемидетречь,непридалразговоруособогозначения.Какбытонибыло,кконцу1950-хгодовуГамоваиегоучениковизменилисьнаучныеинтересы, а их работыпопервичномунуклеосинтезуи эволюциираннейВселенной, и так не привлекшие особого внимания, были полностьюзабыты.

Дальнейшее хорошо известно и неоднократно описывалось впопулярной литературе (см., например, «Первые три минуты» СтивенаВайнбергаикнигиИ.Д.Новикова)в1964годусотрудникиамериканскойкомпании «Белл» Арно Пензиас и Роберт Вилсон [18] , работая с 20-футовойрупорнойрадиоантенной(Холмдел,США),совершеннослучайнооткрыли реликтовое излучение. Определенный драматизм их открытиюпридалото,чтосуществованиереликтовогоизлучениябылонезадолгодоэтогопереоткрытовработахамериканскихисоветскихтеоретиков,причемпососедству–вПринстоне–дляпоискаэтогоизлученияужебылоначатосооружение специальной антенны. Кроме того, как это было осознанопозднее,реликтовоеизлучениефактическиужебылооткрытораньше,но,ксожалению,неузнанокактаковое!Основными особенностями открытого Пензиасом и Вилсономизлучения были его удивительная изотропность (сигнал не зависел отнаправленияантенны)и,каквскоревыяснилосьвходеновыхнаблюдений,чисто тепловой, соответствующий излучению абсолютно черного тела,спектр.Температураэтогоизлучениясоставлялапримерно3К,чтохорошосогласовывалось с теоретическими расчетами ожидаемой в настоящуюэпоху температуры. При такой температуре максимум излученияреликтовогоизлученияприходитсянадлинуволныоколо2мм(рис.29).

Рис. 29. Спектр излучения космического микроволновогофонового излучения по данным спутника СОВЕ (по горизонтальнойоси отложена длина волны излучения в миллиметрах, повертикальной – интенсивность излучения). Точками показанырезультаты измерений, непрерывная кривая – теоретический спектризлученияабсолютночерноготеластемпературойΤ=2,725К.

В настоящее время представление о реликтовом излучении и о егоролиусложнилось.ВэволюцииВселенной,помимовыделеннойГамовымпереходной эпохи, был еще один очень важный этап – рекомбинация.Рекомбинация – это эпоха, когда первичная смесь заряженных ядер,электроновифотоновохладиласьдотемпературыпримерно3000Киприэтой температуре свободные электроны начали соединяться с протонами,образуя нейтральные атомы водорода [19] . C исчезновением свободныхэлектроновВселеннаястала«прозрачной»дляизлучения,таккакфотоныперестали на них рассеиваться и стали свободно распространяться впространстве.Энергияихпостепенноуменьшаласьиз-закосмологическогорасширения. Именно эпоха рекомбинации – источник окружающих насфотоновреликтовогоизлучения.Другимисловами,эпохарекомбинации–последний период в эволюции горячей Вселенной, когда фотоныиспытывали рассеяние на свободных электронах. (Этим, кстати,объясняется название «поверхность последнего рассеяния»,упоминавшеесявпараграфе2.3.)

Эпохарекомбинации–этоотносительнокороткийпериодвремени.Кмоменту рекомбинации водорода (в первую очередь мы говорим о нем,пренебрегаявлияниемгелия)прошлопримерно400000летпосленачала

космологического расширения (столько времени потребовалось, чтобытемпература первичной плазмы упала до 3000 К), а длительностьрекомбинации составила лишь несколько процентов этого времени.Красноесмещениеэпохирекомбинацииоценитьоченьпросто:температурареликтового излучения при расширении падает ∝ (1 + z)-1, в эпохурекомбинации температура составляла примерно 3000 К, современнаятемператураравна2.7К,следовательно,красноесмещениерекомбинацииz~3000/2.7~103.

Любопытно,чтоэпохирекомбинациииравенстваплотностейэнергииизлучения и вещества («демаркационной точки» Гамова) относительноблизки.По современнымпредставлениямплотности энергииизлученияивещества сравнялись до эпохи рекомбинации – примерно через 105 летпосленачаларасширенияВселенной.Соответствующеекрасноесмещениесоставлялоz~3000,температураΤ∝104К.

Чем важно открытие реликтового излучения и что оно дало длякосмологии? Реликтовое излучение – важнейший составной элементкартиныгорячейрасширяющейсяВселенной.Еслинашипредставленияоструктуре и эволюции Вселенной верны, то такое излучение и именно стакиминаблюдаемымисвойствами(чистотепловойспектр,температура~3К, изотропия) просто должно существовать. Именно поэтому открытиереликтового излучения привело к быстромупризнаниюмоделиБольшоговзрыва.Не менее важно и то, что в модели расширяющейся Вселенноймикроволновое фоновое излучение должно иметь ряд особенностей,поддающихся наблюдательной проверке и являющихся прямыми тестамисамой этоймодели.Одним из таких уже упоминавшихся свойств долженбытьросттемпературыизлучениясувеличениемz,тоестьпридвижениивпрошлое нашей Вселенной. Но как можно измерить температуруреликтовогоизлучениявпрошлыеэпохи?Это,конечно,непросто,новсе-такивозможно.Например,наблюдаемыесвойствареликтовогоизлучениявнаправлении далеких скоплений галактик, содержащих большоеколичество горячего межгалактического газа, несколько меняются – такназываемыйэффектСюняева–Зельдовича[20] .Тщательныенаблюденияэтого эффекта позволяют оценивать температуру фонового излучения вэпоху, соответствующую красному смещению изучаемого скопления.Другой метод – анализ спектров далеких квазаров, в которых могутнаблюдаться линии, источником возбуждения которых являются фотоныреликтового излучения. Эти способы не лишены проблем, их реализациясопряжена с большими трудностями, но, тем не менее, они дают вполне

согласованныерезультаты–температурареликтовогоизлучениярастетсzи этот рост соответствует предсказаниям модели Большого взрыва(рис. 30). Тем самым мы получили еще одно доказательство реальностирасширенияВселенной(см.параграф2.2).

Рис. 30. Зависимость температуры реликтового излучения открасногосмещения(Джетсеридр.2010).Данныедляz< 1полученыпоэффектуСюняева-Зельдовича,дляz>1использованынаблюденияабсорбционных спектров квазаров. Штриховой прямой показаназависимость Τ ( z ) = 2.725 × (1 + z ), предсказываемая модельюБольшоговзрыва.

Открытиереликтовогоизлучениясразужепоставилопередученымиважную задачу. Фоновое излучение, как это следовало из теории инаблюдений, удивительно изотропно – его температура практически независитотнаправлениянанебе.Однакоотклоненияотизотропиидолжнынаблюдаться. Ведь, с одной стороны, Земля обращается вокруг Солнца,Солнце движется относительно центра Галактики, сама наша Галактикалетитвпространствеотносительноближайшихзвездныхсистем–витогереликтовое излучение должно быть чуть горячее по направлениюрезультирующего вектора движения Земли и чуть холоднее впротивоположном направлении. С другой стороны, в современную эпохунасокружаетбольшоеразнообразиеструктур–звезды,галактики,группыгалактик,скопленияисверхскопления,–которыедолжныбыливозникнутьза счет гравитационной неустойчивости из первичных возмущенийплотности.Вэпохурекомбинацииэтивозмущенияплотностивеществаи,соответственно, температуры излучения уже должны были существовать.Возникаетвопрос,каковыамплитудаиразмерэтихфлуктуации?ОтветнанегозависитотсоставаикрупномасштабныхсвойствнашейВселеннойи

поэтому поиск и исследование флуктуации реликта – важнейшийкосмологическийтест.

Крупномасштабная анизотропия, вызванная движением Землиотносительно реликтового фона, была обнаружена в 1977 году группойученых из Калифорнийского университета с помощью наблюдений навысотномсамолете-разведчикеU-2[21].

Оказалось, что Солнечная система движется относительно реликта внаправлении созвездийЛьва иЧаши со скоростью примерно 370 км/с. Вэтомнаправлениитемпературареликтовогоизлученияоказаласьпримернона 0.003 К выше, а в противоположном (в направлении созвездияВодолей) – на столько же ниже, чем среднее значение. Следовательно,амплитудадипольнойсоставляющейфоновогоизлученияΔТ/Т~0.003/2.7~10-3.

Мелкомасштабные вариации температуры реликтового излучениябыли открыты с помощью внеатмосферных наблюдений, причемважнейшуюрольвэтомсыгралакосмическаяобсерваторияСОВЕ(COsmicBackground Explorer). В 1992 году было обнаружено, что на масштабах~10° амплитуда флуктуации реликтового фона составляет Δ Т/Т ~ 10-5.Последующиенаблюденияизкосмоса,споверхностиЗемлиисаэростатовподтвердилиэтирезультатыираспространилиихнаещеменьшиеугловыемасштабы.Результатом многолетней работы астрономов явилась детальная картараспределениятемпературыреликтовогоизлученияпонебеснойсфере.Нарис. 31 показана репродукция такой карты в галактических координатах(плоскостьМлечногоПутивытянутавдольбольшойосирисунка).Наэтойкарте удалены многочисленные мешающие эффекты (дипольнаясоставляющаяиз-задвиженияЗемливпространстве,излучениеМлечногоПути, внегалактические источники радиоизлучения) и оставлены, какпредполагается, только реальные, космологические флуктуации. На картена разных масштабах видны многочисленные «холодные» и «горячие»пятна.Ксожалению,естьподозрения,чточастьособенностейэтойкартывсе-таки связана с не совсем точным учетом влияния излучения нашейГалактикии,возможно,дажеСолнечнойсистемы.

Рис. 31. Распределение температуры реликтового излучения понебеснойсфере(темныеобласти–пониженнаятемпература,светлые–повышенная)порезультатам7-летнейработыспутникаWMAP.

Какуюинформациюможноизвлечьиз анализафлуктуациифоновогоизлучения?Огромную.Посути,такойанализдаетосновнуюинформациюоВселеннойвцелом.РанняяВселеннаясточкизренияфизикибылаоченьпростойимногиешедшиевнейпроцессыоставилиотпечатоквсвойствахреликтовогоизлучения.Например,реликтовоеизлучениедаетвозможностьоценить геометрию пространства – времени. На стадии формированияфотоновреликтовогоизлучения–вэпохурекомбинации–Вселеннаябылапримернов1000разменьше(z~1000)иеевозрастсоставлял~400000лет.Следовательно, характерный размер наибольшего возмущения не могпревышать 400 000 световых лет. При более точном подходе получается,что на момент рекомбинации длина волны наибольшего колебания быланесколько меньше и составляла ~220 000 св. лет – это так называемыйзвуковойгоризонт.Изнаблюденийанизотропииреликтовогоизлучениямыможем найти угловой размер, соответствующий самым большимнеоднородностям, (~1°) и, зная соответствующий линейный размер (220000св.лет)икрасноесмещениеформирования,легкоопределитькривизнупространства. Оказалось, что с очень большой точностью нашепространство является плоским, евклидовым. Детальный анализзависимости амплитуды флуктуации реликтового излучения от угловогомасштаба дает возможность оценить множество других характеристикВселенной – ее полную плотность, плотность обычного (барионного)веществаитемнойэнергии(см.параграф2.7),возрастВселенной,значениепостоянной Хаббла, а также многие другие. Как сказал Джордж Смут,получивший в 2006 году Нобелевскую премию по физике за свой

основополагающий вклад в открытие флуктуации фонового излучения,«открытиеанизотропиитемпературыкосмическогореликтовогоизлученияпроизвело переворот в наших представлениях о Вселенной, и егосовременныеисследованияпродолжаютреволюциювкосмологии».

2.5.СкрытаямассавоВселеннойВсенаширебятавремяотвремениотправлялиськ

святомуГраалю.Этопутешествиезанималонескольколет. Уехав, они долго блуждали, плутая самымдобросовестным образом, так как никто толком незнал,гденаходитсяэтотсвятойГрааль.

МаркТвен

Скрытая масса или, как ее часто называют, темная материя (вдальнейшемябудуиспользоватьэтитерминыкаксинонимы,хотяэтоиневполнеправильно)–этопочтисвятойГраальсовременнойастрономии.Напротяжениинесколькихстолетийкаждыйуважающийсебярыцарьсчиталсвоим долгом отправиться на поиски чудодейственной чаши. Так и соскрытоймассой–уженесколькодесятилетийее активноищут,нодосихпор, несмотря на огромное количество косвенных свидетельств еесуществования,онаоднозначнонеидентифицирована.

Слово«темная»неозначает, что этаматерияи в самомделе темная,оно просто означает, что материя очень слабо излучает в оптическомдиапазонеиеедосихпорнеудалосьувидеть.Темноевеществопокачто«скрыто» от современных методов наблюдений, и мы знаем о егосуществованиивосновномпогравитационномувлияниюэтойматериинадоступныенаблюдениямобъекты.

Формально говоря, история скрытоймассынасчитывает ужене одностолетие. Например, в первой половине XIX века было обнаружено, чтопланета Уран двигается по своей орбите чуть-чуть неправильно, в еедвиженииприсутствуюттакназываемыевозмущения.Дляобъясненияэтихнеправильностей было выдвинуто предположение о существовании ещеодной планеты Солнечной системы, которая своим притяжениемвозмущает орбиту Урана. Француз Урбен Леверье и англичанин ДжонАдаме почти одновременно решили задачу о предсказании свойств и оместоположенииновойпланеты,ив1846годуэтапланета(Нептун)былаобнаружена вблизи предсказанного места. Примерно в эти же годынемецкий астроном Фридрих Бессель заметил легкие периодическиеизменения координат ярчайшей звезды ночного неба – Сириуса. Бессельпредположил, что у Сириуса есть невидимый спутник, который позднее

был,действительно,открыт.Вобоихпримерахбылаоткрыта«темнаяматерия»–впервомслучаев

межпланетном пространстве (новая планета), во втором случае вмежзвездном пространстве (новый тип звезд – белый карлик). Так и набольших масштабах скрытая материя, несомненно, будет открыта иотождествлена,темболее,чтоизвестноужемногокандидатоввто,чемонаможет быть. В дальнейшем речь пойдет о темном веществе нагалактических и межгалактических масштабах, то есть о веществе,дающемоченьбольшойвкладвполнуюплотностьВселенной.

Современная история изучения скрытой массы начинается в 1920–1930-х годах. В 1922 году Якубус Каптейн, а затем и Джеймс Джине,опубликовали исследования динамической структуры Млечного Пути, вкоторых они заключили, что в его диске присутствуют «темные звезды»,чьямассапревышаетмассусветящихсязвезд.Вэтихжестатьях,возможно,впервыепоявляетсяитермин«темнаяматерия»(«darkmatter»).В1932годуголландский астроном Ян Оорт также нашел, что наблюдаемых звезднедостаточнодляобъяснениявертикальногоускорения звездвГалактике,вследствиечегоприходитсяпредположитьналичиетемнойматериивблизигалактическойплоскости.Безэтойматерииполучалось,чтоМлечныйПутьдолженбыстротерятьзвезды.(Позднееоказалось,чторезультатыОортанасамомделенесвидетельствовалиосуществованиивплоскостиГалактикискрытой массы, так как на движение звезд влияет не только диск, но ипротяженноеимассивноегалоГалактики.)

Первое свидетельство существования скрытой массы навнегалактическихмасштабахбылополученов1933годуФрицемЦвикки,которыйрассмотрелрадиальные скорости8 галактик в скопленииКомавсозвездии Волосы Вероники. Наблюдаемый разброс скоростей оказалсяоченьвелик–около1000км/с.ИзэтогофактаЦвиккизаключил,что,еслископление в целом находится в равновесии, то есть не сжимается и неразлетается,тоегополнаямассадолжнабытьпримернов400разбольше,чем звездная масса галактик скопления. (Цвикки использовал сильнозавышенноезначениепостояннойХаббла.Присовременномзначенииэтойпостояннойпревышениемассысоставляет~50раз.)Цвиккинаписал,что,еслиэтотрезультатбудетподтвержден,тоэтобудетозначатьудивительныйвывод – в скоплении присутствует значительное количество темнойматерии.Черезтригода–в1936году–американскийастрономСинклерСмит получил похожий результат для скопления галактик в Деве (этоближайшеекМлечномуПутископление).Смитзаключил,чтовскопленииприсутствует много межгалактического вещества. Эта вещество либо

однородно распределено в пределах скопления, либо образует гигантскиеслабосветящиесяоблакавокруггалактик.

В 1939 году Хорее Бэбкок опубликовал самую подробную к томувременикривуювращениягалактикитуманностьАндромеды(зависимостьскорости вращения, измеряемой по доплеровскому смещениюспектральныхлиний,отрасстоянияотцентра).Криваявращенияоказаласьнеобычной – на большом расстоянии от центра скорость вращения неспадала, как ожидалось, а оставалась высокой. (Почему это былонеобычно,яобъяснючутьдальше.)ГодомпозжеЯнОортобсудилкривуювращения галактики NGC 3115 и также заключил, что наблюдаемаяскорость вращения внешних областей галактики не соответствуетожидаемойдляслучая,есливсямассагалактикизаключенавеезвездах.ИБэбкок, и Оорт отметили важность исследования кривых вращениявнешнихобластейгалактик,однакоихрезультатынепривлекливтовремявнимания, как, впрочем, и результаты Цвикки и Смита, что, по крайнеймере отчасти, вероятно, было связано с начавшейся Второй мировойвойной[22].

Прошло два десятка лет, и темная материя снова всплыла, но уже всовсемдругомконтексте.В1959годуКаниВольтьерпредположили,чтосближение нашей Галактики и туманности Андромеды вызвано силамивзаимного притяжения. Это дает возможность оценить их суммарнуюмассу, которая оказалась в несколько раз большей, чем суммаиндивидуальных масс. Кан и Вольтьер заключили, что эта недостающаяматериясуществуетввидегалоизгорячегогаза,окружающихгалактики.

В 1960–1970-е годы появились технические возможности длямассовогоизмеренияпротяженныхкривыхвращения галактиквоптикеипонаблюдениямвлинииHI(λ=21см).(Радиолинияатомарноговодородана21смявляетсяоднойизсамыхпопулярныхвастрономии.Излучениевэтой линии обусловлено сверхтонким расщеплением основного уровняэнергииатомаводороданадваблизкихподуровня.Поинтенсивностиэтойлинии можно оценивать распределение и массу нейтрального водорода вгалактиках, а по ее профилю и по величине доплеровского смещенияможно изучать их вращение.) Кроме того, начали появляться итеоретические аргументы в пользу существования массивных невидимыхгало, окружающих галактики.С этого времени скрытаямасса становитсявсеболеепопулярнаивездесуща–безеепривлечениясейчаснеобъяснитьни свойств отдельных галактик, ни их систем, ни крупномасштабнуюструктуру Вселенной в целом. Далее я попытаюсь коротко суммироватьосновные астрономические свидетельства существования темнойматерии

наразныхмасштабах.•КривыевращениягалактикПлоские кривые вращения – это самый известный и наиболее часто

упоминаемый довод в пользу окружающих галактики массивныхневидимыхгало.Смыслэтогодоводаоченьпрост.Рассмотримкакой-либосферический объект (например, Солнце) и расположенный за егопределаминебольшойспутник(например,планету),обращающийсявокругнегопокруговойорбитеподдействиемгравитации.

Тогда скорость этого спутника выражается хорошо известной сошколы формулой: ν =√GM/r, гдеG— гравитационная постоянная, M –массацентральногообъекта,аr–расстояниемеждуцентральнымтеломиспутником.Отсюдавидно,чтосудалениемспутникаегоскоростьдолжнауменьшаться как 1/√r .Например,мы знаем, что Земля движется вокругСолнцапопочтикруговойорбитесоскоростью30км/с.Юпитернаходитсяот Солнца примерно в 5.2 раза дальше и, следовательно, скорость егодвиженияпоорбитев√5.2=2.3разаменьше,чемуЗемли,иравна30/2.3=13км/с.ЧемдальшепланетаотСолнца–теммедленнееонадвижется.

Реальные галактики не являются, конечно, сферически-симметричными и у них отсутствует четкая граница. Тем не менее,приведеннаявышеформуладлякруговойскоростивпервомприближенииприменимаидляних,тольковместополноймассывнеенадоподставитьмассу,заключеннуювпределахорбитыспутника.Итак,наосновепростыхсоображений можно ожидать, что спектральные наблюдения галактикбудутпоказыватьихвращениевпределахоптическихизображений,азатемдолжен наблюдаться спад, пропорциональный 1/√r . В действительностивсеоказалосьнетак.

На рис. 32 представлена типичная кривая вращения спиральнойгалактики–онанепоказываетспаднапериферии,аостается«плоской»,тоесть демонстрирует почти неизменную скорость, даже за пределамизвездногодиска!

Рис. 32. Наблюдаемая кривая вращения спиральной галактикиNGC 3198 (штриховая линия). Две нижние непрерывные линии –кривые вращения звездного диска галактики и темного гало (ванАлбадаидр.1985),Вдольгоризонтальнойосиотложенорасстояниедоцентра галактики в килопарсеках, вдоль вертикальной – скоростьвращениявкм/с.

Есть галактики, у которых плоская кривая вращения порадионаблюдениям в HI прослеживается до расстояний, в несколько разпревышающих размеры их звездных дисков. Если бы в галактиках былитолькозвездыинемногогаза,тоскоростьвращениядолжнабылабывестисебяпримернокаккривая«диск»нарисунке32,–галактиказакончиласьнаr~10кпкидалеекруговаяскоростьдолжнабыстроуменьшаться.Реальныескорости вращения на периферии большинства галактик остаютсяпримерно постоянными, простейшим объяснением чего является наличиекакого-товещества,дающегобольшойвкладвполнуюмассугалактик.Нарисунке изображен вклад этого вещества (кривая «гало») в итоговуюкривуювращения.Каквиднонарисунке,галоизтемнойматерииначинаетзаметнопроявлятьсебялишьнаперифериизвездногодискагалактикиизаегопределами.

Рисунок 32 иллюстрирует типичную кривую вращения спиральнойгалактики.Наблюдаются,конечно,иразнообразныеотклонения,например,связанные с взаимодействием галактик друг с другом, но, в среднем, убольшинства галактик скорость вращения не показывает уменьшениявплоть до последних доступных наблюдениям областей. Этот фактпослужилоднимизпервыхаргументоввпользупредставленияотом,что

галактикипогруженывмассивныеневидимыегало.•Спутникигалактик

Каждая массивная галактика, вроде Млечного Пути или туманностиАндромеды, окружена целой свитой карликовых галактик-спутников.Крометого,кэтойсвитеможноотнестиисистемушаровыхскоплений,–компактных и массивных звездных скоплений, содержащих ~ 104–106звезд,–котораявнашейГалактикепрослеживаетсявплотьдонесколькихдесятков килопарсеков от ее центра. Естественно, что и движение этойсвиты, и структура составляющих ее небольших галактик и шаровыхскоплений должны определяться массой центральной галактики –например, приливная сила со стороны Галактики ограничивает размер именяетструктурузвезднойсистемы,обдираяеевнешниеобласти.

Наблюдения показали, что для объяснения динамических иморфологических характеристик систем спутников нашей и другихближайших галактик необходимо допустить, что массы центральныхгалактиквнесколькоразпревышаютмассуихзвезд.• Системы галактик Галактики часто образуют физические пары сгалактикамисравнимоймассы(всоставдвойныхсистемвходят~10%всехгалактик), группы из нескольких объектов (рис. 33), а также скопления –гигантскиеконгломераты,содержащиесотниитысячичленов(рис.16,34).Если предположить, что такие системы являются гравитационно-связанными, то, зная лучевые скорости их членов, можно оценитьхарактерный разброс скоростей галактик и оценить полные массы этихсистем.Именно так действовалиЦвиккииСмит, впервые обнаружившиетемнуюматериювскопленияхКомаиДева.

Рис. 33. Триплет галактик Агр 274. (Снимок космическоготелескопа«Хаббл»)

Сейчасизученыужетысячиразличныхсистемгалактикотмасштабовдвойных систем (десятки кпк), до скоплений галактик (тысячи кпк).Основной результат этих работ: скрытая масса присутствует на всехуровнях иерархии галактик, причем ее вклад растет с увеличениеммасштаба – в двойных системах она превышает вклад «светящейся»материивразы,авскопленияхгалактик–вдесятки-сотнираз.•Горячийгаз

Наблюдениянаорбитальныхобсерваториях («Ухуру»,«Эйнштейн»идр.) показали, что гигантские эллиптические галактики и скоплениягалактик излучают в рентгеновском диапазоне. Источником этогоизлучения является горячий (~106–108К) газ, образующийпротяженныекоронывокруг эллиптических галактики заполняющийскопления.Массаэтого газа относительно велика – например, в скоплениях она составляет~10-20%полноймассы.

Если бы в галактиках и в скоплениях ничего, кроме звезд и газа, небыло, то создаваемое ими гравитационное поле было бы недостаточнымдляудержаниястольсильнонагретойсреды.Оценкисодержанияскрытоймассы, необходимой для удержания горячего газа в скоплениях,согласуются с динамическими, полученными по скоростям движениягалактик.•Гравитационноелинзирование

Предыдущие свидетельства существования темного вещества были

основанынаегогравитационномвлиянииназвездыигаз,однакоестьещеодин вид материи, на который влияет гравитационное поле –электромагнитноеизлучение,свет.Именноэтотэффект–отклонениелучейсветафоновыхзвездСолнцем–послужил,кстати,однимизпервыхтестовобщейтеорииотносительности.Итак, если между далеким источником (например, галактикой) и намиесть какой-то массивный объект (например, скопление галактик), тоизображение этого источника исказится весьма специфическим образом.Наиболее эффектные, известные в настоящее время, гравитационныелинзы–это,конечно,богатыескоплениягалактик,наперифериикоторыхчасто наблюдаются дуги или арки, являющиеся усиленными иискаженнымиизображениямифоновыхгалактик(рис.34).Расположениеиформаэтихдугзависятотраспределениямассывскопленииипоэтомуихможно использовать для реконструкции его потенциала. Детальноемоделирование ряда таких скоплений подтвердило оценки их масс,найденныединамическимметодомипогорячемугазу–массыскопленийгалактик многократно превышают суммарную массу входящих в нихгалактик.

Рис. 34. Изображение центральной части скопления галактикAbell 2218. Дугообразные детали на снимке – изображения далекихгалактик, искаженные гравитационным полем скопления. (Снимоккосмическоготелескопа«Хаббл»)

Используется и слабое гравитационное линзирование, влияниекотороговыделяетсяпристатистическоманализемножестваизображений.Например, при отсутствии близкой концентрации массы ориентациядалеких,фоновыхгалактикдолжнабытьхаотической.Еслижетакаямассаприсутствует,онаприведеткизменениювидимыхвытянутостейгалактикик появлению некоторой упорядоченности в их ориентациях. Сиспользованием такого подхода удалось даже построитькрупномасштабные карты распределения скрытой массы. Например, нарис. 35 показана первая такая трехмерная карта. На рисунке видно, чтотемнаяматерия, в среднем, хорошо отслеживает распределение видимоговещества, хотя имеются и определенные отличия. В целом слабоегравитационное линзирование дает результаты о скрытой массе,согласующиесясполучаемымидругимиметодами.

Рис. 35. Наверху: спроецированное распределение галактик вобластипроектаCOSMOS(1600кв.градусов)(слева)ираспределениескрытой массы, построенное методом слабого гравитационноголинзирования (справа). Внизу: трехмерное распределение темнойматерии в той же области. На нижнем рисунке красное смещениеувеличиваетсяслеванаправоотz=0доz~1.(ПоданнымМассиидр.2007)

Есть и другие наблюдательные свидетельства присутствия воВселеннойзначительногоколичестватемнойматерии,однакосуществуюти теоретические аргументы. По-видимому, первым из них явилосьвысказанное в 1973 году Острайкером и Пиблсом соображение, что безмассивных темных гало диски спиральных галактик должны бытьнеустойчивыми.Однакосамымважнымявляетсято,чтобезскрытоймассыгалактики вообще не смогли бы образоваться! По современнымпредставлениямгалактикиформируютсяирастут за счет гравитационнойнеустойчивостиизисходныхвозмущенийплотностивраннейВселенной.

Какмыубедилисьвпараграфеореликтовомизлучении,через400000летпосле начала космологического расширения эти флуктуации плотностибыли еще очень малы – всего лишь ~10-5. Оказывается, что если бы воВселенной было только обычное (так называемое барионное) [23]вещество,изкоторогосостоятзвездыигалактики,тоэтинеоднородностипросто не успели бы усилиться до такой степени, чтобы создатьокружающее нас разнообразие структур! Решением этого парадоксаявляется учет наличия во Вселенной значительного количестванебарионной скрытой массы. Фотоны реликтового излучениявзаимодействуют лишь с барионным веществом, и поэтому анизотропияфонового излучения несет информацию только о флуктуациях обычнойматерии. Небарионное вещество на момент рекомбинации могло бытьскучено уже гораздо сильнее, подготовив «затравки» для роста будущихгалактикиихскоплений.

Сколько во Вселенной «обычного» и «темного» вещества? Околичестве (или о плотности) вещества в космологиипринято говорить втерминахтакназываемойкритическойплотности.КритическаяплотностьзависитотсовременногозначенияпостояннойХаббла(H0)–ρс=3H02/8πG ~ 10-29 г/см3. В рамках стандартной фридмановской космологии,еслисредняяплотностьВселеннойпревышаетэтозначение,тоестьρ>ρс,то расширение Вселенной должно смениться ее сжатием («закрытаяВселенная»). Если ρ < ρс, то расширение будет продолжаться вечно(«открытая Вселенная»). Случай ρ = ρс, является пограничным –расширениебудетпродолжатьсявечно,причемскоростьрасширениябудетасимптотически стремиться к нулю. При ρ = ρс, геометрия Вселеннойявляетсяплоской,еепространственнаякривизнаравнанулю.Востальныхслучаях геометрия пространства неевклидова. При плотности, меньшейкритической, кривизна пространства отрицательна, при большей –положительна.

Оценить плотность заключенного в звездах обычного веществадовольнопросто.ОсновнойисточникоптическогоизлучениявоВселенной– это состоящие из звезд галактики. Поэтому можно построитьраспределение галактик по их светимостям и пересчитать его враспределение по массам, задав отношение масса – светимость (M/L ).ОтношениеM/Lдлязвездразныхтиповможнонайтикакизнаблюдений,такиизтеории,ионохорошоизвестно.(Например,длязвездтипанашегоСолнцаотношениемассыкболометрическойсветимостивсистемеединицСГС равно 0.5.) Просуммировав массы галактик в единице объемаВселенной, находим полную массу звезд и, соответственно, плотность

светящегося вещества. По современным оценкам плотность такоговещества составляет лишь примерно 0.3 % от критической плотностиВселенной:Ω*=ρ*/ρс~0.003.Этаоценканампокамалоочемговорит,поскольку мы не знаем полную плотность вещества, – помимо звезд воВселенной есть ещедругое барионное вещество (например, газ) и, крометого,небарионнаятемнаяматерия.

Полную плотность барионного вещества помогает найти теорияпервичного нуклеосинтеза, начало развития которой было положеноГамовым и его учениками. Оказывается, предсказываемый теориейхимический состав Вселенной довольно сильно зависит от полнойплотностибарионов.Особенночувствительнокдолебарионовпервичноесодержание дейтерия. Современные измерения первичного химическогосостава (доля водорода по массе ~75 %, гелия ~25 %, доля дейтерия почислу атомов относительно водорода ~ 10-5) дают независимую оценкуполной плотности барионного вещества: Ωb= ρb / ρс ~ 0.045. Значит, взвездах заключена лишь примерно 1/15 доля всего барионного веществаВселенной! Где же оно? По-видимому, существенная часть этихнедостающих ба-рионов заключена в горячем газе скоплений галактик, адругая часть может быть отнесена к барионной скрытой массе,представляющейсобой,например,межгалактическийгаз,остаткизвезднойэволюции(белыекарлики,нейтронныезвезды,черныедыры),холодныйитруднодоступныйдлянаблюдениймолекулярныйгаз.Теперь обсудим, сколько небарионного вещества во Вселенной. Нарис.36суммированырезультатыизмеренияотношениямасса–светимостьдля галактик и их систем в зависимости от размера системы. На самыхбольшихмасштабахмасса оцененана основе анализа крупномасштабныхдвижений галактик, индуцированных гравитационным влияниемскоплений и сверхскоплений галактик, на меньших масштабахиспользованыдинамические,атакженайденныепонаблюдениямгорячегогаза оценки масс скоплений и групп. На рисунке видно, что масса,приходящаяся на единицу светимости, сначала растет, а затем намасштабах≥102кпквыходитнаплато.Выходнаплатоозначает,чтоприувеличении масштаба усреднения во Вселенной не появляетсязначительногоколичествадополнительнойскрытоймассы.

Рис. 36. Зависимость отношения масса-светимость в голубомфильтреотмасштаба(Бакал2000)

Эти(рис.36),атакжедругиеподобныеданныепривелив1990-хгодахк выводу, что полная плотность массы вещества Вселенной составляетпримерно20–30%отзначениякритическойплотности.Но,какмытолькочтовыяснили,барионноговеществавоВселеннойвсеголишьоколо4.5%.Следовательно,то,чтодополняетплотностьбарионовдоΩ~0.2–0.3,–этонебарионная скрытая масса, которой должно быть примерно в 5 разбольше,чемобычноговещества.Такимобразом,используяразныеметодыи подходы, мы получили, что в нашей Вселенной очень много темнойматерии. Эта материя неоднородна – есть барионная скрытая масса, оприродекоторойможностроитьвполнеопределенныепредположения,ноещебольшенебарионной,окотороймалочтоизвестно.Однакомало–незначитничего.Частицынебарионнойтемнойматериисейчасоченьактивноищут, строят наземные экспериментальные установки, проводяткосмическиеэксперименты.Деловтом,чтосвойствамитакихчастиц(онидолжны быть относительно массивными и слабо взаимодействовать сбарионами) обладают гипотетические элементарные частицы,появляющиеся в некоторых расширениях Стандартной модели. Один изсамыхпопулярныхкандидатоввчастицытемнойматериитакиназывается– слабовзаимодействующие массивные частицы или WIMPs (weaklyinteracting massive particles). Открытие частиц темной материи станетоднимизнаиболеегромкихиожидаемыхоткрытийначалаXXIвека.

2.6.РасширениесускорениемАстрофизика напоминает следствие по делу, в

которомвсеуликилишькосвенные.

СтаниславЛем

В 1990-х годах сложилась довольно странная картина – хорошовидимые всем звезды оказались лишь небольшим «придатком» ктаинственной скрытой массе, дающей основной вклад в плотностьВселенной, а полная, наблюдаемая по ее гравитационному влиянию,плотность вещества Вселенной (Ω = 0.2–0.3) в несколько раз меньшекритической плотности. Однако обнаруженные примерно в это же времяфлуктуации реликтового излучения свидетельствовали, что полнаяплотность Вселенной должна быть близка к критической, то есть Ω = 1(раздел2.4).Ещеоднапарадоксальнаявещь–возрастВселеннойдляΩ=0.2–0.3 получался равным примерно 11–12 млрд лет, что вступало впротиворечие с возрастом старейших объектов нашей Галактики(например,шаровыхскоплений).

НизкаянаблюдаемаяплотностьВселеннойпротиворечилаи взглядаммногих теоретиков-космологов, активно развивающих представление обинфляции–особойстадиираннейэволюцииВселенной,входекоторойоначрезвычайно быстро (за время ~10-34 с) и сильно (в ~1043 раз)расширилась. По окончании инфляции Вселенная разогрелась до оченьвысокой температуры, после чего наступила эпоха горячего Большоговзрыва. Инфляция позволяла решить ряд проблем стандартнойфридмановскойкосмологиии,крометого,онапредсказывала,чтосредняяплотность Вселенной с большой точностью должна быть равнакритической. Когда Алан Гут – один из создателей теории инфляции –узнал,чтонаблюдениясвидетельствуютобΩ=0.2–0.3,онзаявил,чтораноилипоздновсеустаканитсяинаблюдателиобязательнополучатΩ=1.

Каковжевыходиз этойситуации?ЧтожепропущеновоВселенной?Из наблюдений было ясно, что это что-тоне скучивается на масштабахскопленийгалактикиниже,иначеоно,подобнотемнойматерии,былобыобнаружено по своему гравитационному влиянию. Значит, эточто-тонеявляетсятемнойматерией,и, сдругойстороны,чтобыдобратьплотностьВселеннойдоΩ=1,этогочто-тодолжнобытьоченьмного–больше,чем

темнойматериии,естественно,гораздобольше,чембарионноговещества.Еслиоглянутьсянаисториюкосмологии, еще в 1917 годуЭйнштейн

через обобщение уравнений ОТО ввел во Вселенную некую новуюсущность (раздел 2.1). Речь идет о его Λ-члене или о космологическойпостоянной, введение которой было равносильно признаниюсуществования во Вселенной среды, создающей не притяжение, аотталкивание. Эта среда обладает энергией и плотностью и в принципеможет давать заметный вклад в полную плотность Вселенной. СамЭйнштейн, узнав о результатахФридмана и Хаббла, от этого обобщениясвоих уравнений гравитации отказался, признав его, по свидетельствуГамова,своейсамойбольшойошибкой.(Вспомним,чтоонввелэтотчленлишьдлятого,чтобысделатьсвоюмодельВселеннойстационарной.)Но,как это иногда бывает, даже ошибки гениев могут оказаться важнымидостиженияминауки.

В1990-хгодахнесколькоученыхпопыталисьреанимироватьΛ-член.Впрочем, о немникогда, по сути, ине забывали, но он в качестве своегорода курьеза оставался на периферии внимания физиков. В 1995 годуамериканские астрофизики Иеремия Острайкер и Пол Стейнхардтпроанализировали разнообразные наблюдательные факты о Вселенной –оценкиееплотности,возрастаобъектов,реликтовоеизлучение–ипришлик выводу, что все они согласуются с ненулевой космологическойпостоянной, вклад которой в плотность Вселенной ΩΛ = 0.65±0.1.Суммарная плотность Вселенной таким образом получается близкой к 1,что и требуется инфляцией и данными о реликтовом излучении. Котносительно большой оценке величины космологической постояннойпришел на рубеже 1990-х годов и Стивен Вайнберг. Он воспользовалсяантропнымисоображениями(см.раздел2.8)изаключил,чтонаблюдаемыесвойства нашей Вселенной свидетельствуют о том, что вкладкосмологической постоянной может заметно превышать плотностьобычнойматерии.

Были и другие исследователи, обсуждавшие возможность ненулевойкосмологической постоянной, но эти работы не привлекли в то времяособогоинтереса.Тембольшейнеожиданностьюдлябольшинствафизиковстало открытие в 1998 году двумя группами исследователей ускоренногорасширенияВселенной,означавшего,чтоΛ>0.

Формальная история этого открытия началась в 1988 году, когда подруководством Сола Перлмуттера (рис. 37) и Карла Пеннипакера вНациональнойлабораторииЛоуренсавБеркли(США)быласозданагруппа(ее сокращенное название SCP – Supernova Cosmology Project), основной

цельюкоторойбылоопределениекосмологическихпараметровВселеннойпонаблюдениямдалекихсверхновыхтипаIa(см.раздел2.2)[24].

Основная идея этого проекта состояла в том, что SN Ia обладаютзамечательнымпостоянствомвмаксимумеблеска (см.рис. 23)ипоэтомуих можно использовать в качестве «стандартных свечей» – объектов,истинная мощность излучения которых известна, и которые, тем самым,можно использовать для точных оценок расстояний. Если пронаблюдатькривуюблескадалекойсверхновойинайтиеевидимуюзвезднуювеличинув момент максимума блеска, то, сравнив эту величину с истиннойсветимостью,можносразунайтирасстояниедозвезды.Сдругойстороны,расстояниедоэтойжезвездыможнооценитьпоеекрасномусмещениюипозадаваемойкосмологическоймодели.Сопоставивданныедлямножествасверхновыхвширокомдиапазонеz,можносразумнойточностьюоценитьосновныепараметрыВселенной–значениепостояннойХаббла,плотностьвещества,кривизнупространства.

Длятогочтобыиспользоватьсверхновуюдлякосмологическихцелей,нужно решить три наблюдательные задачи: 1) нужно ее обнаружить, 2)получить спектр и убедиться, что она относится к типу Ia, 3) построитькривуюблеска,чтобысхорошейточностьюоценитьееблесквмаксимуме.Открыть сверхновую можно и на небольшом телескопе, так как вмаксимуме блеска она может затмить излучение целой галактики, но вотдля дальнейшего изучения потребуются крупные инструменты. И тутвстаетосновнаяпроблема–наблюдательноевремянабольшихтелескопахзаказывается на полгода – год вперед, но ведь заранее никак непредугадать,когдажевспыхнеттасверхновая,дляизучениякоторойэтотинструментпонадобится!Блесксверхновойнарастаеточеньбыстро–еслиповезет,тодомаксимумаблескаунаблюдателейестьлишь1–2недели,–иорганизовать за это время наблюдения на крупном телескопе почтиневозможно.

ДлярешенияэтойпроблемыСолПерлмуттерпредложилследующуюстратегию. Вскоре после новолуния (Луна, засвечивая небо, делаетневозможным наблюдения слабых далеких объектов) на относительнонебольшомтелескопеполучаютснимкинесколькихдесятковплощадокнанебе, включающих изображения множества галактик. Для увеличениячисла объектов лучше наблюдать далекие скопления галактик. Затем, вначале следующего новолуния, то есть примерно через 3 недели, этиобласти снова наблюдают и с помощью автоматических процедур,сравнивающихизображения,выделяютпоявившиесязаэтовремяточечныеобъекты. После исключения возможных дефектов изображений и следов

космических частиц остаются кандидаты в сверхновые звезды. Этикандидаты тутже начинают исследовать на крупном телескопе, время накотором было заранее заказано на нужные даты. Такой подход позволяетпочти гарантированно, «по заказу» открывать новые сверхновые, причем,чем больше галактик попало в исследуемую область неба, тем большевероятностьоткрытьсверхновую.

Эффективность этой методики была наглядно продемонстрирована в1992 году. Используя телескопы на Канарских островах (2.5-метровыйтелескопдляфотометрииплощадоки4.2-метровый–дляспектроскопии),группа SCP открыла самую далекую на тот момент сверхновую на z =0.458. С этим результатом «в кармане» группе стало легче добыватьнаблюдательное время на более крупных инструментах. Позднее поисксверхновыхпроизводилсяна4-метровыхтелескопахвАвстралииивЧили,аихспектральныенаблюдения–на10-метровомтелескопе«Кеск».(С1997года κ наблюдениям подключился и космический телескоп «Хаббл».) В1994годууПерлмуттераиегокомандыбылирезультатынаблюденийуже7открытыхимидалекихсверхновых.

Надо заметить, что за последние сто лет специфика наблюдений накрупных оптических телескопах, да и работы астрономов в целом,измениласьоченьсильно.Наблюденияуженетребуюттакихподвигов,каквовременаСлайфера(см.п.2.1).Современныйтелескопиегоприборы–очень сложные устройства и астрономов, приезжающих на наблюдения вобсерваторию, обычно к ним даже не подпускают. Оптикой телескоповзанимаются профессиональные оптики, аппаратурой – специалисты поприборам.Вовремянаблюденийастрономсидитвтеплойкомнатеиследитза экранами мониторов – контролирует ход наблюдений, анализируетпромежуточные результаты, принимает оперативные решения поизменениюметодикинаблюдений.Зачастуюавторнаблюдательнойзадачидаженеприезжаетвобсерваторию,таккаконможетприниматьучастиевнаблюдениях по интернету, а вся работа телескопа обеспечиваетсясменным техническим персоналом или даже осуществляется полностьюавтоматически. В этих условиях основной ролью астронома являетсяпостановка интересной и осмысленной задачи, которую можно решить входенаблюдений.

Рис.37.СолПерлмуттериБрайанШмидт–организаторыгрупп,открывших в 1998 году ускоренное расширение Вселенной понаблюдениям далеких сверхновых звезд. Фото с сайтовsupernova.lbl.govиmsowww.anu.edu.au.

Нарисованная почтиидеальная картина относится к наблюдениямнабольших телескопах, у которых диаметр главного зеркала составляетнесколько метров. На небольших инструментах место старой,«слайферовской» романтики, конечно, еще осталось – астрономуприходитьсяпроводитьвсюночьподоткрытымнебом,вручнуюуправляятелескопом и его аппаратурой. Однако и эта специфика стремительноуходитизпрофессиональнойастрономии, таккакдажесовсеммаленькиетелескопывсечащестроятполностьюавтоматизированными.

Еще одна особенность современной астрономии – огромноеколичество необработанного наблюдательного материала, накопленного вэлектронных архивах наземных и космических обсерваторий илиполученноговходеразнообразныхцифровыхобзоровнеба.Этотматериалдоступенчерезинтернет,ионпозволяетрешатьмногиезадачи,вплотьдооткрытияобъектовновоготипа,безпроведенияновыхнаблюдений.

В 1994 году была создана HZT (High-Z Supernova Team) – втораягруппапопоискудалекихсверхновых.(ОднимизстимуловдляеесозданияпослужилиуспехиSCPпообнаружениюSNнабольшихz.)Руководителемгруппы стал Брайан Шмидт (рис. 37), незадолго до этого защитившийдиссертацию по сверхновым в Гарварде. Подобно SCP, группа Шмидтабыла интернациональной – в нее входили исследователи из США,

Австралии, Европы и Южной Америки. Наблюдательная стратегия ΗΖΤбыла схожа со стратегией SCP, и ее первым громким результатом сталооткрытиев1995годусамойдалекойсверхновойнаz=0.479.

Любопытны высказывания Алексея Филиппенко об обеихконкурирующих группах. Филиппенко – известный американскийспециалист в области изучения сверхновых звезд – с 1993 по 1996 годыработал в составе SCP, а затем перешел в ΗΖΤ. Причиной для переходапослужило то, что в SCP ему работалось некомфортно. Главная причинадискомфорта – иерархическая структура SCP, подобная тем, чтоскладываютсяуфизиковприработенадбольшимипроектами.ГруппаΗΖΤсостоялавосновномизастрономов,ееорганизациябылаболееаморфнойипоэтому голос каждого из участников с большей вероятностью мог бытьуслышанипринятвовнимание.Оборотнаясторонатакойорганизации–вΗΖΤбыломного«генералов»и,ксожалению,мало«солдат».Филиппенкопишет,чтосуществованиедвухгруппсточкизрениянаукиоказалосьоченьполезным – работа пошла быстрее, а результаты стали более тщательнотестироватьсявпоискахвозможныхошибок.Можнодолгоспоритьотом,какой метод организации научных исследований лучше – иерархический,каквSCP,или«горизонтальный»,каквΗΖΤ,нофактостаетсяфактом,чтообегруппыпришликосновнымрезультатампрактическиодновременно.

Путь к открытию не был гладким и прямым. Первый подробныйанализ космологических параметров по характеристикам далекихсверхновых был опубликован Перлмуттером и др. летом 1997 года. Этотанализ основывался на данных о 7 из примерно 30 открытых к томумоменту SN на z ~ 0.4. Данные свидетельствовали о том, что вклад«светящегося» и «темного» вещества составляет почти 90 % откритическойплотностии,следовательно,еслиплотностьВселеннойравнакритической, то на долюΛ-члена почти ничего не остается.Формальнаяпогрешность этого результата была очень велика, и результат мограссматриваться лишь как сугубо предварительный. Последующеевключение в рассмотрение только одной вновь открытой звезды срекордным на тот момент красным смещением z = 0.83 существенноизменило результат в сторону уменьшения плотности вещества воВселенной. Примерно в это же время (осенью 1997 года) группа ΗΖΤпроанализировала наблюдения четырех сверхновых, включая очереднойрекордныйобъектнаz=0.97,итакжеполучиланизкуюоценкуплотностивещества. Однако эти ранние результаты были статистическинедостовернымиинемоглиничегодоказатьилиопровергнуть.

В конце 1997 года обе команды активно анализировали накопленные

данные.ВΗΖΤбылисобранынаблюдениядля16сверхновыхтипаIa.Ихокончательным анализом занимался Адам Раисе, который с 1996 годаработал в Калифорнийском университете в качестве постдока АлексеяФилиппенко.Вдекабре1997годасталосовершенноясно,чтонаблюденияприводяткоченьстранномувыводу–еслипредположить,чтоΩΛ=0,тосуммарная плотность барионного и небарионного вещества (Ωm), какследовало из формального решения, должна быть отрицательной, что,конечно, не имело смысла. Следовательно, космологическая постояннаядолжнабытьбольшенуля!Филиппенкопишет:«Уменяотвислачелюсть,когдаАдампоказалмнепостроеннуюимдиаграммуХаббла[25]ивывод,что сверхновые на больших z примерно на 0.m25 [26] слабее, чеможидается в модели Вселенной с низкой плотностью». УдивлениеФилиппенко объяснялось тем, что, если сверхновые выглядят слабее начетвертьзвезднойвеличины,то,значит,онинаходятсяотнасдальше,чемследовало из принимаемой в то время космологической модели.Простейшим объяснением этого факта является существованиеглобальногоотталкивания,антигравитации,введеннойЭйнштейномввидеΛ-члена в свои уравнения, которое приводит к тому, что расширениеВселенной не замедляется под действием гравитации, а, наоборот,ускоряется.ЧленыΗΖΤнеожидалитакогорезультатаинастойчивоискалиусебяошибку.Итутдонихсталидоходитьслухи,чтогруппаПерлмуттератожеобнаружилачто-тостранное!

В конце 1997 года у группы SCP накопились наблюдения примернодлячетырехдесятковдалекихсверхновых.Воктябре–ноябреучастникиSCP несколько раз представляли свои результаты на семинарахКалифорнийского университета. В частности, на этих выступленияхзвучало, что для плоской Вселенной получается Ωm ~ 0.3 и,соответственно,ΩΛ~0.7.Еслижезафиксировать,чтоΩΛ=0,тоΩm<0,что не имеет физического смысла. Эти результаты рассматривалисьчленами SCP как сугубо предварительные и они, как и участники HZT,максимальнотщательноперепроверялисвоирезультаты, стараясьубедитьвпервуюочередьсамихсебя,чтоВселенная,действительно,расширяетсясускорением.

Первый повод официально объявить об открытии ускоренногорасширения Вселенной появился в самом начале следующего года.8 января 1998 года на съездеАмериканского астрономического обществаСолПерлмуттерпредставилрезультатысвоейгруппыдля40сверхновыхиуказалнасвидетельствавпользуненулевойкосмологическойпостоянной.Перлмуттер подчеркнулпредварительность этого заключения, а также то,

что наблюдательные данные можно объяснить и без ускорения. Видимопоэтомупредставителипрессыпрактическинеобратиливниманиянаэтовыступление. Представители команды ΗΖΤ, конечно, присутствовали насъезде,но,посколькурядпровероквсеещенебылзавершен,онирешилипока не объявлять о своих результатах. Но, как написал Филиппенко,«членыΗΖΤнепреминулизаметить,чторезультатыSCPуказывалинатотжевывод,чтосделалАдам(Раисе)поданнымΗΖΤ».

К середине февраля обе группы были уже уверены в своихрезультатах.18февралянаконференции,посвященнойизучениюскрытоймассы(«DarkMatter98»,MarinaDelRey,California),прозвучалидоклады,провозгласившие открытие ускоренного расширения. Сначала прозвучалидоклады членов SCP Герсона Голдхабера и Сола Перлмуттера, а затемвыступил Алексей Филиппенко, представивший результаты HZT. Обегруппы пришли к одинаковому заключению – плотность веществаВселенной составляет примерно 0.3 (в долях критической плотности) иВселеннаярасширяется сускорением,ответственнымзакотороеявляетсякосмологическаяпостоянная,причемΩΛ~0.7.

Подробная статья с описанием этих результатов командойΗΖΤ былаотправленавпечатьвмартеиопубликованав сентябре1998 года.ЧленыSCPчутьзадержались–ихобобщающаяпубликациябылаготоваосенью,авышлалишьлетом1999 года.Впрочем,дляприоритетныхспоровповоданет – результаты были получены и публично представлены практическиодновременно.

ВыборкакомандыSCPнасчитывала42сверхновые,угруппыHZTихбылотолько16,однакоданныедляэтихзвездбылиболееточными.Витогерезультаты обеих групп обладали примерно одинаковой статистическойзначимостью,причемонибылиполученыпрактическинезависимодруготдруга – группы почти не пересекались по составу (за очень редкимиисключениями),выборкидалекихSNIaбылиразными(толькодвеобщиезвезды), анализ данных производился независимо и разными методами.Хорошее согласие результатов двух групп заставило астрономическоесообществосерьезновоспринятьихкажущийсяфантастическимрезультат[27].

Рис.38показываетдоступныев1998годуданныедвухгрупп.Разбросточеквыглядиточеньбольшимикажется,чторезультатнеоченьнадежен.Кроме того, слабым местом открытия являлось то, что потускнениесверхновых с расстояниемможно было объяснить, к примеру, эволюциейихмаксимальнойсветимостисовременем,атакжетем,чтонаихвидимыйблесквлияетпоглощениепыльювмежгалактическойсреде.Авторывсеэто

прекрасно понимали и в последовавшие годы быстро наращивалинаблюдательный материал и проводили разнообразные дополнительныепроверки и исследования. Ни наличие пыли, ни возможная эволюциясверхновых, как оказалось, не влияют ощутимым образом на результаты.Кроме того, увеличение числа далеких SN Ia только повышалодостоверностьсуществованияускоренногорасширения.Итак, что же было открыто? Как я уже писал, далекие сверхновыеоказалисьболееслабымипосравнениюстем,какимионидолжныбытьвоВселеннойсплотностьюΩ~0.3.Этоозначало,чтоонинаходятсяотнасдальше,чеможидалось.ПриполнойплотностиΩ~0.3Вселеннаядолжнарасширяться вечно, причем темп расширения должен постепеннозамедляться. Наблюдения показали, что замедление происходит не таксильно, как ожидается дляΩ ~ 0.3 и поэтому галактики со сверхновымиоказалисьотнасзаметнодальше.

Рис.38.ОбъединенныерезультатыSCP(открытыекружки)иΗΖΤ(черные точки) для далеких SN Ia. На верхнем рисунке показаназависимость модуля расстояния (разность видимой и абсолютнойзвездной величин сверхновой в максимуме блеска) от красногосмещения. Линиями показаны ожидаемые зависимости для разныхкосмологических моделей. Внизу изображены отклонения модулейрасстоянияотпредсказаниймоделипустойВселенной сΩm=0.3и снулевойкосмологическойпостоянной.Видно,чтоданныедлядалекихSN лежат, в среднем, выше этой теоретической зависимости,изображенной горизонтальной прямой из точек. Сдвигнаблюдательных точек описывается моделью с Ωm = 0.3 иΩΛ = 0.7(непрерывнаякривая).(Перлмуттер,Шмидт2003)

Рис. 39. Эволюция значения постоянной Хаббла по данным одалеких SN Ia согласно Райссу и др. (2007). По вертикальной осиотложено нормированное на 100 км/с/Мпк значение постояннойХаббла,погоризонтальной–красноесмещение(числавдольверхнейгоризонтальной оси – значения z ). Кружки – результаты измерений,непрерывнаякривая–ожидаемаязависимостьдлямоделисΩm=0.3иΩΛ=0.7.

На рис. 39 показано изменение постоянной Хаббла со временем поданнымодалекихсверхновых.Наглядновидно«торможение»Вселенной–при z ~ 1–1.5 (то есть 8–9 млрд лет назад) постоянная Хаббла былапримерно в два раза больше. Видно также, что открытие ускоренногорасширения не означает, что уже сейчас темп расширения Вселеннойрастет. На самом деле он еще падает, но не так быстро, как ранееожидалось–замедлениерасширенияВселеннойтормозитсяикогда-нибудьпостоянная Хаббла, действительно, начнет расти. Простейшейинтерпретацией наблюдений являлось предположение о существованиинекоей формы энергии (ее стали называть темная энергия ) [28] ,«расталкивающей» Вселенную и приводящей к изменению темпа еерасширения. Как следовало из наблюдений, свойства этой субстанциидолжныбытьоченьстранными.Во-первых,онанескучивается,тоестьнесобирается в обычные объекты типа галактик и их скоплений, и еераспределение в пространстве, по-видимому, близко к равномерному. Во-вторых,какуженеразписалось,оназаставляетВселеннуюрасширяться,то есть темная энергия, в отличие от обычной материи, создает нетяготение, а антитяготение, антигравитацию. В-третьих, сколь бынеобычнымэтоневыглядело,плотностьтемнойэнергиипосовременнымданным практически не зависит от времени (имеется ввиду абсолютнаяплотность,измеренная,скажем,вг/см3).В-четвертых,внастоящуюэпохувклад темной энергии в полную плотность Вселенной являетсяопределяющим–ΩΛ~0.7.Этоневсегдабылотак–плотностиобычноговещества и темной материи, в отличие от темной энергии, зависят от

времени, и в более ранние эпохи эволюции Вселенной относительныйвкладтемнойэнергиибылменьше(рис.40).

Рис. 40. Зависимость плотности вещества (кривая линия) итемной энергии (горизонтальная прямая) от времени (Краус 2002).Вдоль вертикальной оси отложена плотность в г/см3, вдольгоризонтальной – время, прошедшее после Большого взрыва, вмиллиардахлет.Стрелочкойуказанасовременнаяэпоха.

Чтоможетпредставлятьсобойэтатемнаяэнергия?Возможныразныеварианты, но, по-видимому, самый простой и естественный – темнаяэнергия представляет собой энергию вакуума. Вакуум, вопреки бытовойточке зрения, это не просто пустота [29] , а состояние с минимальнойвозможной энергией, причем эта энергия не обязательно должна бытьравна нулю. Если из какого-то объема убрать все частицы и поля, то,согласно законам квантовой механики, на сверхмалых расстояниях этотобъем является ареной очень активной деятельности – в немнепрерывнорождаются и исчезают так называемые виртуальные частицы. Энергияэтого кипящего «супа» частиц и является энергией вакуума. (Корректнорассчитать энергию вакуума из общих физических принципов весьманепростоипоэтомуполученнаячистоастрономическимиметодамиоценказначения ΩΛ оказалась очень кстати). Свойства вакуума близки ктребуемымдлятемнойэнергии–егоплотностьнезависитотвремени(онаопределяется физикой очень малых расстояний и времен), он нескучиваетсяи,согласноквантовойфизике,егодавлениеотрицательно,что

и приводит к появлению эффекта антигравитации. Эти особенностивакуумапривеликтому,чтоончасторассматриваетсявкачествеосновногокандидатавтемнуюэнергию.

Открытие ускоренного расширения Вселенной, возможноеотождествлениепричиныэтогоускоренияскосмическимвакуумом– это,несомненно, эпохальные достижения, существенно меняющиепредставления об окружающем нас мире. Однако насколько серьезноможноотноситьсякэтимоткрытиям?Ведькажется,чтоониосновываютсялишь на нескольких точках, уклоняющихся от ожидаемой прямой нарис.38.Во-первых,внастоящеевремяданныхужегораздобольше.ЧислодалекихSN Ia с измереннымикривымиблеска достигает уженесколькихсотен и новые наблюдения лишь подтверждают и уточняют исходныерезультаты группSCPиΗΖΤ.Во-вторых, как я уже писал в начале этогораздела, и до результатов по сверхновым были наблюдательные итеоретическиеаргументывпользуненулевойкосмологическойпостоянной– например, противоречие между оценками возраста Вселенной ивозрастом старейших объектов, предсказания теории инфляции. И,наконец, в-третьих, сейчас существует целый ряд новых, независимых отнаблюденийSNIa,тестов,такжесвидетельствующихобΩΛ>0.

Первый из этих аргументов уже упоминался – анализ анизотропииреликтовогоизлученияпоказывает,чтополнаяплотностьнашейВселеннойблизка к критической, в то время как плотность всех видов веществасоставляет лишь около четверти критической. Этот дисбаланскомпенсируется вкладом темной энергии. Еще одна группа свидетельствосновывается на наблюдениях крупномасштабного распределениягалактик. Так называемые акустические флуктуации, наблюдаемыепримерно через 400 000 лет после Большого взрыва в реликтовомизлучении (п. 2.4), должны были отпечататься и в распределенииокружающихнас галактикнамасштабах~100Мпк.Появлениебольших,однородных выборок галактик с измеренными красными смещениямипозволило относительно недавно (в начале 2000-х годов) действительнообнаружитьэтотэффект.ЕгоанализдалвозможностьнезависимойоценкиплотностивеществавоВселеннойи,всочетаниисданнымиореликтовомизлучении,уточнилпараметрытемнойэнергии.

Эффект Сакса-Вольфа (изменение частоты фотона реликтовогоизлучения,движущегосявизменяющемсягравитационномполе)приводитк появлению корреляции между наблюдаемой неоднородностьюреликтового излучения и распределением относительно близких ( z ≤ 1)галактик. Если во Вселенной доминирует вещество, этот эффект не

проявляется. Если же космологическая постоянная достаточно велика, тоона влияет на темп роста крупномасштабных структур (скоплений исверхскоплений галактик) и приводит к тому, что поле возмущенийгравитационногопотенциалауспеваетизменитьсязавремяполетафотонаот далекой галактики до нас. Следствием этого должна бытьдополнительная анизотропия реликтового фона, зависящая открупномасштабногораспределениявеществавэпоху,когдатемнаяэнергиястала динамически важным компонентом Вселенной. Анализкрупномасштабного распределения галактик и радиоисточниковподтвердилсуществованиеэтогоэффекта.

Неожиданныйподходкизучениютемнойэнергиидаютизлучающиеврентгеновском диапазоне скопления галактик. Скопления галактик, какобычно пишут, – это самые крупные гравитационно-связанные объектыВселенной. Они содержат тысячи галактик в пределах несколькихмегапарсеков(напомню,чторасстояниеотнашейГалактикидотуманностиАндромеды составляет примерно 2/3 мегапарсека). Большой вклад вбарионную массу скоплений дает горячий газ, являющийся источникомсильного рентгеновского излучения. Предположив, что доля газа вскоплениях является постоянной и не зависит от красного смещения (этадоля просто отражает долю барионного вещества во Вселенной), можнополучить независимые от красного смещения оценки расстояний доскоплений.Оказалось,чтоэтиоценкисогласуютсясмодельюВселеннойсбольшимзначениемкосмологическойпостоянной.

Есть и другие свидетельства существования темной энергии –подсчеты далеких скоплений галактик, слабое и сильное гравитационноелинзирование и пр. Эти свидетельства следуют из разных, не связанныхмеждусобойнаблюдательныхэффектов.Поотдельностиккаждомуизнихможнопридратьсяипридуматьдругоеобъяснение,нолишьсуществованиетемнойэнергииедиными,посути,самымпростымобразомобъясняетвесьвесьма разнородный комплекс данных. Именно совокупностьнаблюдательныхтестовпозволяет считать существование темной энергиинадежно установленнымфактом.Напомню, что расширениеВселенной иналичие в ней темнойматерии также подтверждается самыми разнымиинезависимымисвидетельствами(разделы2.2и2.5).Нелишнебудеттакженапомнить,чтотемнаяэнергиядовольноестественнымобразомвозникаети в разнообразных построениях теоретиков – в частности, эта энергия,возможно, представляет собой давно обсуждавшуюся (еще с первойполовиныXXвека)энергиюфизическоговакуума.Основные участники этой истории – Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт

иАдамРаисе–сталилауреатамиНобелевскойпремиипофизике за2011годсофициальнойформулировкой«ЗаоткрытиеускоренногорасширенияВселеннойспомощьюнаблюденийдалекихсверхновых».

2.7.ПортретВселеннойЧемболеепостижимойпредставляетсяВселенная,

темболееонакажетсябессмысленной.

СтивенВайнберг

В предыдущих разделах я остановился на наиболее общихнаблюдательных основах космологии, к которым можно отнестирасширение Вселенной, реликтовое излучение, темную материю,ускоренное расширение. Это, конечно, далеко не все, что можно былообсудить. Например, я почти не писал о первичном нуклеосинтезе,предсказания которого подтверждают картину Большого взрыва, и окрупномасштабной структуре Вселенной, свойства которой такжесогласуютсясэтойкартиной.Кфундаментукосмологииможноотнестииосновнуютемуэтойкниги–факт,чтоночноенебоявляетсятемным,нокэтомуясновавернусьвпоследнейглаве.

Попробуем восстановить основные черты эволюции Вселенной и еехарактеристики.ПриэтомподВселенной,какивездевэтойкниге,ябудуподразумевать конкретный объект – расширяющийся пузырекпространства-времени, возникший около 14 млрд лет назад. СловоВселеннаяявсегдапишусбольшойбуквы,имеяввидучтоона,возможно,не является единственной, и что существует бесчисленное множестводругих вселенных, подобно тому, как за пределами нашей Галактикисуществуютмиллиардыдругихгалактик(см.следующийпараграф).

Итак, соберем воедино кусочки мозаики и представим себе портретокружающей нас Вселенной. Сначала о том, что видно, то есть ораспределении галактик. На относительно небольших масштабах ихраспределение сильно неоднородно – яркие галактики окружены свитамииз карликовых галактик, галактики часто образуют пары и группы,существуютгигантскиеконгломератыгалактик–скопленияи,наконец,намасштабах десятков мегапарсеков наблюдаются сверхскопления, волокна(филаменты) и пустоты (войды) (рис. 41). Что же дальше? Есть ли воВселеннойболеекрупныеобразования?Нет,какпоказываютнаблюдения,по мере роста масштаба усреднения распределение галактик становитсявсеболееиболееоднородным. (Напомню,чтосильнейшимаргументомвпользу глобальнойоднородностиВселеннойявляется такжеудивительная

изотропия реликтового излучения, характеризующего распределениеплотности во Вселенной при z ~1000.) Об этом же свидетельствуют итеоретическиеработы,посвященныемоделированиюобразованияструктурвоВселенной.

Рис.41.Крупномасштабноераспределение62559галактик(точки)вдвухузких(толщиной3°)коническихразрезахподаннымобзора2dF.Земля находится в центре рисунка, вдоль радиуса отложено красноесмещение, максимальному z соответствует расстояние около 1гигапарсека.(Рисунокссайтаwww.mso.anu.edu.au/2dFGRS/)

На рис. 42 в качестве примера показаны результаты численныхрасчетовформированиякрупномасштабнойструктурыВселеннойврамкахстандартной космологической модели, учитывающей вклад Λ-члена искрытоймассы (такназываемаяΛ-CDMмодель).Эти,идругиеподобныеим,расчетыстартуютсисходнопочтиоднородногораспределенияскрытоймассы, прослеживают рост индивидуальных сгущений темной материи –темных гало, затем рассматривается, как эти гало нагребают газ изокружающего пространства, в них стартует процесс рождения звезд и,наконец, «вылупляется» звездная галактика. Отдельные этапы этогопроцессапоняты,конечно,ещеплохо,новцеломвэтомсценарииудаетсяхорошовоспроизвестикакособенностипространственногораспределения(наличие структур на небольших масштабах, крупномасштабнуюоднородность),такиудовлетворительноописатьсвойствасамихгалактик.Естественно, сравнение наблюдений (рис. 41) и расчетов (рис. 42)осуществляется не просто разглядыванием картинок (они, действительно,похожи),адетальнымматематическиманализом.

Рис. 42. Крупномасштабное распределение галактик всовременную эпоху по данным численных расчетов (Шпрингел и др.2005). Размер показанной области составляет примерно 0.5гигапарсека.

Основные характеристики Вселенной суммированы в следующейтаблице. Таблица 1. Основные характеристики Вселенной

Таблица основана на результатах семилетней работы космическойобсерватории WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe),наблюдавшейреликтовоеизлучение,всочетаниисданнымипобарионнымакустическим флуктуациям (см. предыдущий раздел) и покосмологическим сверхновым. Насколько точны эти числа? Формальнаяточность очень высока. Например, значение постоянной Хаббла всовременную эпоху оценивается с точностью около ± 1 км/с/Мпк,остальные характеристики также известны с погрешностью в несколькопроцентов. Лет 20–30 назад это показалось бы просто фантастикой –например,значениеH0уразныхавтороввтегодыварьировалосьот50до100км/с/Мпк,даиоценкидругихпараметровразличалисьвразы.Одинизнаиболее интересных параметров – это, конечно, полная плотность Ω,поскольку она определяет геометрию Вселенной. Как видно из таблицы,плотностьвеществаΩm=Ωb+Ωdmравна0.28,плотностьтемнойэнергиисоставляет 0.72 и Ω равна 1.00 (вкладом остальных ингредиентовВселенной, например, излучения, можно пренебречь). Точность

определенияΩвсевремярастетипосовременнымоценкамотличиеΩотединицынепревышает1–2процента,такчтонашуВселеннуюсбольшойточностьюможносчитатьплоской(кривизнапространстваблизкакнулю).

Рис. 43. Относительный состав Вселенной (в процентах откритическойплотности)

На рис. 43 интегральный состав Вселенной для наглядностиизображен в виде круговой диаграммы. Этот рисунок в сочетании стаблицейисрис.40позволяетсделатьнесколькообщихзаключений.Во-первых, как ужене раз говорилось, основной вклад вΩдаетне обычноевещество, изучаемое учеными уже много столетий, и даже не скрытаямасса, известная уже несколько десятилетий, а нечто, о чем сейчас неизвестно почти ничего – темная энергия. Обычное вещество,гравитирующее согласно закону всемирного тяготения, дает лишьотносительно небольшой вклад в полную плотность, а доминирующаясоставляющаяВселеннойобладаетантитяготением.Во-вторых,мыживемв особое время эволюции Вселенной. Доминирование темной энергииначалосьпокосмическиммеркамотносительнонедавно(рис.40),исэтоговременизамедляющеесярасширениеВселеннойсменяетсярасширениемсускорением. В-третьих, будущее Вселенной будет определяться темнойэнергией. Ее усиливающееся влияние начнет постепенно, в течениемиллиардов лет, подавлять формирование структур (скоплений галактик,группипр.)– сначаланабольших, а затеминавсеменьшихименьшихмасштабах. Усиливающийся разгон материи темной энергией приведет ктому,чточерезмногиедесяткимиллиардовлетВселеннаябудетвыглядетьочень скучной – в ней на огромных расстояниях друг от друга будут

разбросаны стремительно удаляющиеся друг от друга темные галактики,состоящиеизпотухших,проэволюционировавшихзвезд.

Размер наблюдаемой части Вселенной превышает 10 гигапарсеков.Этовыглядитпарадоксальным,посколькузавремяжизниВселеннойсветможетуспетьпройтилишь14млрдсветовыхлетипоэтомукажется,чтоееразмернеможетпревышатьэтувеличину.ОднакоВселеннаярасширяетсяипоэтому,еслимынаблюдаемизображениепредельнодалекойгалактикисz =10 (после Большого взрыва к этому времени прошло лишь около500млнлет),тозавремя,покаееизлучениедобиралосьдонас,Вселеннаяоченьсильноувеличиласьвразмерахирасстояниедогалактикисоставилоуже около 30 млрд световых лет или 10 Гпк. Расстояние до сферыпоследнего рассеяния, из которой мы наблюдаем фотоны реликтовогоизлучения,равно14Гпк.

В качестве характерного размера Вселенной можно также взять,например, хаббловское расстояние lH , то есть такое расстояние, прикотором скорость расширения Вселенной равна скорости света. ЕслирасстояниеотнаспревышаетlH,тоскоростьудаленияобъектапревышаетскорость света, а, значит,мыникогда не сможемдостичь этой галактики.ИспользуязаконХаббла,можнооценить,чтоlH=с/Н0=4300Мпк.Этомурасстояниюсоответствуеткрасноесмещениеz~1.5,аобъектысz>1.5длянас принципиально недостижимы. Может показаться странным, что мывидим излучение от столь быстро – со скоростью, превышающей с , –удаляющихся объектов. Противоречия здесь нет – фотон, странствуя оттакой сверхсветовой галактики, будет по пути к нам входить в областипространства,удаляющиесяотнассовсеменьшейименьшейскоростьюи,наконец,начнетприближаться.

Вселенная содержит ~1011 галактик, каждая галактика состоит из1010–1011 звезд, следовательно, полное число звезд во Вселеннойдостигает 1021–1022штук.Много это илимало?В столовой ложке водыболее1023молекул,такчтотакуюжидкую«Вселеннуюгалактик»можнопроглотить одним глотком. Полная масса Вселенной в пределах lHсоставляет~1056гилипримерно1080масспротона.Вынесенная в эпиграф фраза появилась в самом конце знаменитойкниги Стивена Вайнберга «Первые три минуты». Это замечаниенеоднозначно и существует множество его толкований [30] .Воспользовавшись многозначностью этой фразы, я вложу в нее свойсмысл:чемболееподробноидетальномыизучаемВселенную,темменеепонятно,почему она именно такая, а не иная. Но об этом в следующемпараграфе.

2.8.ЗапределаминашейВселеннойВокруг столько миров, сколько способно

уместитьсяунасподшляпой.

СтаниславЕжиЛец

Какмыувиделивпредыдущемпараграфе,нашаВселенная–довольностранное место. Действительно, ее крупномасштабные характеристикивыглядятпроизвольными–почему,например,внейименностолькотемнойматерии и темной энергии, почему барионное вещество – это лишьнебольшая«примесь»кдругимеесоставляющим,почемуонастольвеликаили, в зависимости от вкуса, столь мала? Подобных вопросов можнозадавать много. Кажется естественным, что рано или поздно мы должныузнать ответы, например, построив некую фундаментальную теорию, вкоторой все особенности Вселенной будут объяснены, так сказать, «изпервых принципов». Однако уже сейчас существует подход, называемыйантропным принципом, позволяющий ответить на подобные вопросы. Свыводами, следующими из антропного принципа, можно не соглашаться,однакоони,несомненно,оченьинтересны.

Давайтепредставимсебе,чтомынаходимсявдалекомпрошлом,когданебылоизвестноосуществованиидругихзвездипланет.Проницательныйисследователь, размышляя об окружающем его мире, мог бы обратитьвниманиенато,чтоэтотмирудивительнокомфортендлячеловека[31].

Эти удобства можно перечислять долго – например, на Земле тепло,полно пищи, легко найти естественные укрытия от непогоды и отразнообразных опасностей, реки и моря дают возможности для далекихпутешествий.Еслинесчитать,чтовсеэтокем-тосозданоспециальнодлячеловека, то можно сделать вывод, что существует огромное количестводругих миров с самыми разнообразными температурными режимами иусловиями для жизни, а мы живем в том мире, где условия для насподходят.

Возможно,отчастиподобнаялогикапривеларядантичныхфилософовк выводу о множественности других, в том числе обитаемых, миров.Например,вIIIв.н.э.Ипполиттакописываетвзглядыфилософа-атомистаДемокрита: «Миры бесконечны по числу и отличаются друг от друга повеличине.Воднихизнихнетнисолнца,нилуны,вдругих–солнцеилуна

большие,чемунас,втретьих–ихнепоодному,анесколько.Расстояниямеждумираминеодинаковые;крометого,водномместемировбольше,вдругом – меньше…В одном месте миры возникают, в другом – идут наубыль…Некоторыеизмировлишеныживотных, растенийикакойбытонибыловлаги».

Внеподходящихусловияхжизньпростонепоявиласьбы,инебылобы наблюдателей, рассуждающих о комфортности окружения. Созданиегелиоцентрической системы, превратившее Землю в рядовую планету, атакжеоткрытиевпоследниегодыогромногочислапланетудругихзвезд,–всеэтоподтвердилоприведенныевышерассуждения.

Теперь вместо Земли рассмотримВселенную – насколько она уютнадлянашегосуществования?Оказывается,очень!Самыеразнообразныееехарактеристики замечательным образом «подогнаны» для того, чтобымогла существоватьжизнь, подобная земной.Например, все знают, что внашеммире3пространственныхизмерения.Этонеслучайно.КакпоказалещевначалеXXвекаПаульЭренфест,тольковтрехмерноммиревозможносуществование устойчивых планетных орбит и устойчивых атомов.Маленькое изменение массы электрона или разности масс протона инейтрона привело бы к тому, что атом водорода стал бы нестабилен иосновнымвеществомвоВселеннойсталибыатомыгелия.Эволюциязвездрадикальноизмениласьбы,ивозникновениежизнисталобыневозможно.В физике еще много других эффектных примеров зависимости нашегомира от «шевеления» фундаментальных констант. Например, сильноеувеличение скорости света приведет к тому, что при фиксированнойэнергии фотона, задаваемой разностью энергий атомных уровней, егоимпульс уменьшится, длина волны увеличится, изменится сечениерассеяния фотонов электронами. В итоге фотоны практически пересталибы взаимодействовать с веществом и, как пишет российскийфизикЛ. Б.Окунь,«небылобыниСолнца,ниэлектрическойлампочки,чтобысветить,ниглаза,чтобывидеть».

Итогом подобного анализа является заключение, что наш мир имеетотносительно небольшой запас прочности по отношению к изменениюфундаментальных констант. Размышляя, подобно нашему древнемумыслителю,о«комфортности»Вселенной,можносделатьпростойвывод–возможно, существует очень большая последовательность вселенных, вкоторыхреализуютсясамыеразнообразныенаборыфизическихконстант,имы живем в той из них, в которой условия благоприятны для появленияжизниземноготипа.Этоутверждение,посути,почтитривиальное,иестьантропный принцип. На самом деле существуют десятки вариантов

формулировкипринципа,новдальнейшемябудуиметьввидулишьэту.Антропный принцип обычно связывают с именем английского

астрофизикаБрэндонаКартера.В1974годуонпредложилэтоназваниедляутверждения, что то, что мы ожидаем получить из наблюдений, должноудовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека вкачестве наблюдателя. Скажем, мы не можем ожидать, что получим изнаблюдений, что нейтрон в два раза легче протона, поскольку этопротиворечит существованию атомов и молекул и, следовательно, жизнинашего типа. Картеру принадлежит удачное название, однако он не былпервооткрывателем самого принципа. В разном обличье эти соображениявысказывались и использовались задолго до него. Например, Эдгар Поиспользовал сходные рассуждения для обоснования большого размера ивозраста Вселенной (см. предыдущую главу). Дух антропного принципаможно усмотреть и в построениях Людвига Больцмана, описавшегоогромную Вселенную, в которой то тут, то там возникают гигантскиестатистические флуктуации, условия в которых очень сильно отличаютсяот средних. Если в какой-либо флуктуации существуют мыслящиесущества, то они обнаружат, что их существование связано с крайнемаловероятными условиями, сложившимися в пределах флуктуации исильно отличающимися от окружающих областей Вселенной. В 1960-егоды четкие формулировки антропного принципа высказали советскийкосмологА.Л.ЗельмановиамериканецРобертДикке.

Что нам дает антропный принцип? Как ни странно, у столь общегоутверждения, есть вполне конкретные достижения. Например, я ужеупоминал,чтоСтивенВайнбергзадолгодорезультатовгруппПерлмуттераи Шмидта использовал его для обоснования большого значениякосмологической постоянной. Замечательным применением антропногопринципа (по крайней мере так об этом пишут во многих учебниках покосмологии) считают и предсказание Фредом Хойл ом в 1953 годусуществования энергетического уровня ядра углерода с энергиейвозбуждения 7.65 МэВ. Без этого уровня углерод образовывался бы взвездах гораздо менее эффективно, и наша Вселенная была бы столь имбедна, что возникновение жизни на основе углерода стало быневозможным.Примерночерезнеделюпосле этогопредсказанияуровеньвозбуждения 7.65 МэВ был действительно открыт в эксперименте! Ещеодним предсказанием антропного принципа может считаться исуществование Мультивселенной [32] – совокупности огромногоколичества вселенных, в каждой из которых реализуется свой наборзначенийфизическихконстант.

Мультивселенная – концепция довольно старая. Например, что-топодобное можно найти у Эдгара По в «Эврике»: «существует некаябеспредельнаяпоследовательностьВселенных,болееилименееподобныхтой, о которой мы имеем осведомленность…», «не имея доли в нашемпроисхождении, они не имеют доли в наших законах. Ни они непритягивают нас, ни мы их… Между ними и нами… нет влиянийвзаимных…». Своего рода Мультивселенной является и упоминавшийсявыше мир Больцмана, состоящий из огромного числа отдельных«вселенных-флуктуаций».

Мультивселенная – благодатное поле деятельности и для писателей-фантастов, герои произведений которых часто скачут из вселенной вовселеннуюнасуперзвездолетах (иногда,правда,авторыпутаютгалактикии вселенные). Кстати, одно из первых художественных описанийсвоеобразной Мультивселенной было дано знаменитым польскимписателемСтаниславомЛемомв «Новой космогонии» (1971 год). «Новаякосмогония» – это речь вымышленного лауреата Нобелевской премииАльфреда Тесты, в которой он описывает Вселенную, разбитую наотдельные«ячейки».Внутриячеексуществуют«различныеразновидностифизики» и «цивилизации могли возникнуть лишь в немногих очагах,значительноудаленныхдруготдруга».Собственнофантастиканачинаетсядальше,когдаТестаописываетэволюциютакойВселеннойкаксвоегородасостязаниеилиигрусверхцивилизаций, возникшихвнекоторыхизячеек,по переделке законов физики внутри своих ареалов обитания и воВселеннойвцелом.

Всенаписанноевышеможноотнестикобщимрассуждениям.Естьликакие-нибудь физические основания в поддержку существованияМультивселенной?Первые свидетельства такойвозможностипоявились втеории инфляции. Эта теория возникла на рубеже 1970–1980-х годовусилиями ряда российских и зарубежных физиков-теоретиков (АлексейСтаробинский, Андрей Линде, Алан Гут и др.). К этому времени вкосмологиинакопился рядпроблем,неразрешимыхв рамках стандартнойфридмановской космологии. Например, каким образом во Вселеннойустановилосьоднородноеиизотропноераспределениематериинабольшихмасштабах, почему разные, очень далеко разнесенные и причинно несвязанные области Вселенной имеют одинаковые свойства, почемуглобальнаягеометриянашегомираблизкакевклидовой?Теорияинфляцииуспешно разрешила эти и другие проблемы фридмановской космологии,но,естественно,породилановые.

Основой теории инфляции является представление о существовании

так называемого скалярного поля – особого вида материи, обладающегоогромной плотностью и отрицательным давлением. Отрицательноедавлениеозначает,чтоэтасредапорождаетмощныесилыгравитационногоотталкивания.Скалярноеполеиспытываетквантовыефлуктуацииивнемвозникаютобласти с большими значениямиполя, котороеначинает вестисебякаккосмологическаяпостояннаяикотороеприводитквозникновениюбыстрорасширяющихсяобластей.

ВсамомначалеэволюциинашейВселенной,ещедостадииБольшоговзрыва, был период такого сверхбыстрого ускоренного расширения (илираздувания)–инфляции.Инфляциядлилась~10-34с,изаэтовремяразмерфлуктуации вырос в огромное, невообразимое число раз. В некоторыхвариантах теории этот рост составляет 1010 10 раз! В итоге, в концеинфляционной стадии исходная флуктуация плотности, имевшая такназываемыйпланковскиймасштаб(~10-33см),вырастаетдоколоссальныхразмеров, во много раз превышающих размер доступной наблюдениямсовременной Вселенной. Это объясняет однородность и изотропию, атакже плоскую геометрию Вселенной – она представляет собой лишькрошечнуючастьчего-тогораздобольшего,подобнотому,какнебольшойучасток поверхности огромного шара в первом приближении можносчитатьплоским,хотясамшар,естественно,сильноискривлен.

В конце инфляции скалярное поле распадается, энергия поляпереходитв энергиюобычноговеществаивозникаетто,чтоужезнакомопо космологии Фридмана, – расширяющийся по инерции (начальныескорости расширения сформировались в конце стадии инфляции)сверхплотный сгусток элементарных частиц. Тем самым, можно сказать,что стадия инфляции подготавливает горячий Большой взрыв, создаваявысокотемпературную плазму и заставляя новорожденную Вселеннуюрасширяться (рис. 44). Или, другими словами, расширение Вселенной –следствие условий, сложившихся по окончании стадии инфляции, а самаинфляция – следствие определенных свойств скалярного поля. Внастоящую эпоху Вселенная начинает потихоньку разгоняться поддействием другого скалярного поля – того, что выше обсуждалось подназванием«темнаяэнергия»[33].

Рис.44.ОсновныеэтапыэволюциинашейВселенной:Вселеннаявозниклавходеквантовойфлуктуациискалярногополяпочти14млрдлетназад, затемпоследовалафазаинфляции,примерночерез400000лет после начала сформировалось наблюдаемое сейчас реликтовоеизлучение, первые звезды и галактики начали образовываться черезнесколькосотенмиллионовлети,наконец,несколькомиллиардовлетназад торможение расширения Вселенной начало постепенносменяться ускоренным расширением под влиянием темной энергии.(Рисунокссайтаmap.gsfc.nasa.gov.)

Представим себе, что скалярное поле неоднородно и его плотностьслучайным образом меняется, тогда в тех областях, где поле большое,начинается инфляция и возникают, по словам А. Линде, «острова впервичном хаосе» – другие вселенные. Следовательно, в таком вариантеинфляционной теории мы естественным образом приходим к картинеМультивселенной,вкоторойнашаВселенная–лишьоднаизмногих.Воткак об этом написал сам автор модели хаотической инфляции АндрейЛинде: «В результате квантовых скачков скалярных полей вселеннаяоказывается разделенной на бесконечное множество экспоненциальнобольших областей с различными законами физики при малых энергиях.Каждая из этих областей настолько велика, что практически можетрассматриватьсякакотдельнаявселенная:существа,еенаселяющие,будут

жить экспоненциально далеко от ее границ, и потому никогда ничего неузнаютосуществованиидругих«вселенных»сдругимисвойствами».

Итак, из приведенного выше упрощенного описания следует, чтовозникновение Вселенной и Мультивселенной объясняется свойствамипредшествующегоимскалярногополя.Скалярноеполе–этопростейшийвариант поля. Оно характеризуется единственным значением какой-либовеличинывкаждойточке,причемзначениеэтойвеличиныможетменятьсяот места к месту и со временем. Примерами скалярного поля являютсяраспределения температурыиливысотнадуровнемморяпоповерхностиЗемли. Согласно современным представлениям, Вселенная заполненарядомскалярныхполей,задающихвакуум,атакжемассычастицито,каконивзаимодействуют.Говоряобэтихполях,сложноневспомнитьапейронантичныхфилософов!

Однако не является ли введение этого поля неким произволом и неподобраныли его свойства искусственнымобразом так, чтобы объяснитьрождениевселенных?Дажееслиэтоитак,ничегоплохоговэтомнет,таккак гипотеза о скалярном поле позволяет единообразным образомобъяснитьоченьширокийкругявлений.Однакоскалярныеполяизвестнывфизике уже давно – они естественным образом возникают «на кончикепера»теоретиков.Например,одинизстолповСтандартноймоделифизикиэлементарных частиц – модель Вайнберга-Салама – основывается насуществованииособогоскалярногополя,поляХиггса,котороеотвечаетзапоявление массы у фундаментальных частиц, таких как кварки иэлектроны.Механизмпоявлениямассыможнопредставить,например,какдвижение пловца в бассейне – вода (поле Хиггса) сопротивляетсядвижению пловца, и это сопротивление ощущается как масса. Важноеуточнение – поле Хиггса, в отличие от воды, сопротивляется толькоускоренному движению. Частица, двигающаяся через это поле спостоянной скоростью, не тормозится, торможение начнется лишь припопыткеускоритьилизамедлитьеедвижение.Течастицы,которыесильновзаимодействуют с полем Хиггса, являются тяжелыми,слабовзаимодействующие – легкими. Фотон проходит через это поле безсопротивления,ионнеимеетмассы.БозономХиггса(илипросточастицейХиггса)называютквантполяХиггса[34].

Стандартная модель успешно подтверждена множествомэкспериментов и единственное оставшееся неподтвержденнымпредсказание – существование бозона Хиггса – в скором времени можетбыть проверено на Большом адронном коллайдере. Так что обнаружениебозона Хиггса даст, пусть и косвенный, аргумент в пользу теории

инфляции!ЕщеодиннезависимыйвзгляднаМультивселеннуювозникизактивно

развиваемойвпоследниедесятилетиятеорииструн.Согласноэтойтеории,элементарныечастицыиихфундаментальныевзаимодействиявозникаютврезультатеколебанийивзаимодействийкрошечных(размером~10-33см)одномерных струн. Все известные элементарные частицыинтерпретируются как различные режимы их колебаний. Продольныеразмеры струн очень малы и поэтому на масштабах, превышающихпланковский, они выглядят как точечные объекты. Теория струн оченьсложна и пока что не является полноценной, непротиворечивой изаконченнойтеорией,апредставляетсобойотдельныефрагментыбудущегоподхода,который,какмногиенадеются,когда-нибудьсможетстатьединойтеориейвсехизвестныхфизическихвзаимодействий.

Одним из результатов теории струн является предсказаниесуществования огромного количества (по некоторым, конечно, оченьгрубым оценкам, ~ 10500) различных типов вакуумов (см. раздел 2.6),поддерживающих совершенно разные частицы, взаимодействия, значенияфундаментальных постоянных и даже разное количествопространственных измерений. Эта совокупность вакуумов получиланазваниеструнноголандшафта.Объединениеландшафтасинфляционнойкосмологией породило представление о Мультивселенной, состоящей извселенных–раздувающихся«пузырьков»–совсемивозможнымитипамивакуумов.Мыживемводномизредкихпузырьков,внашейВселенной,гдефизическиезаконыоказалисьблагоприятныдлявозникновенияжизни.

Возможное существование немыслимого, невообразимого, почтибесконечногонабораразнообразныхвселенныхвозродило старуюидеюосуществовании«клонов»Вселеннойиземнойцивилизации.Вотчтопишетоб этом Александр Виленкин, американский физик русскогопроисхождения,вкниге«Мирмногихмиров»:«Удивительнымследствиемэтой новой картины мира является существование бесконечного числамиров, идентичныхнашему.Да, дорогой читатель, десятки ваших дублейдержатсейчасврукахэтукнигу.Ониживутнапланетах,вточноститакихже,какнашаЗемлясовсемиеегорами,городами,деревьямиибабочками.Эти земли обращаются вокруг точных копий Солнца, и каждое солнцепринадлежит огромной спиральной галактике – точной копии МлечногоПути…Должны существовать регионы, где истории немного отличаютсяотнашей,совсемивозможнымивариациями».

Поразительно,чтоэтонаписанонефантастом,аизвестнымфизиком-теоретиком! Хотя, конечно, фантасты давно опередили космологов.

Например,магистрМальгрим,волшебникизповестиДжонаПристли«31июня», сформулировал это так: «Все, созданное воображением, должносуществовать где-то во Вселенной». «Принцип Мальгрима» – конечно,очень сильное утверждение, однако современная космология, отчастисмыкаясьсфантастикой,неожиданноприходиткблизкойкартинемира.

Стивен Хокинг начал свою книгу «Краткая история времени»поучительным анекдотом. В конце публичного выступления астронома,рассказавшегоостроенииВселенной,из зала звучитреплика,чтовсеэтонеправда,анасамомделенашмирпокоитсянаспинеогромнойчерепахи,которая стоитна спине другой черепахи, та – на следующейи так далее.Этабесконечнаяпоследовательностьчерепахможетдонекоторойстепени,чисто аллегорически, служить образом того, как человечество познаетокружающий его мир. Это познание – чреда ударов по человеческомусамолюбию, когда, ощупавочередную«черепаху», исследователи сноваиснова начинают догадываться о существовании следующей. При этомместочеловекавоВселеннойпостепенносмещаетсянавсеболеедалекуюпериферию.Библейская картина мира была построена вокруг человека. Человекнаходился в центре Вселенной – на Земле, вокруг которой обращалисьпланеты, Солнце и Луна, а снаружи все это замыкалось сферойбожественного. Коперник передвинул Землю из центра Солнечнойсистемы,затемДиггесиБруноубралиограничивающуюнашупланетнуюсистемувнешнююсферу,сделавСолнцерядовойзвездойсредимножестваподобных. Вильям Гершель открыл нашу Галактику в виде гигантскогоуплощенного скопления звезд. Солнце по Гершелю находилось вблизицентра Галактики. ВXX веке, в первую очередь усилиямиХаббла, былодоказано,чтоГалактика–рядовойобъектсредимножествадругих.Крометого, Солнце было передвинуто на периферию нашей звездной системы.Окружающая Солнце планетная система тоже не уникальна – планетыприсутствуют,по-видимому, убольшинства звезд.Ивот,нарубежеXXиXXIвеков,началоформироватьсяпредставление,чтоочередная«черепаха»– наш заполненный галактиками расширяющийся пузырек пространства-времени – не последняя и за ее пределами уже маячит следующая –Мультивселенная.Удастсялинамкогда-нибудьнайтиипонятьпоследнюю«черепаху»,еслиона,конечно,существует?

Глава3ФонночногонебаВ предыдущей главе я описал несколько основных наблюдательных

фактов, на которых базируется наше представление о Вселенной.Получившаяся картина Вселенной делает решение фотометрическогопарадокса почти тривиальным – нашаВселенная конечна во времени и впространстве, содержит конечный запас энергии и, естественно, в такихусловиях парадокс не может возникнуть. Однако темнота ночного небасамапосебеявляетсяважнымкосмологическимнаблюдательнымфактомисодержит полезную информацию о Вселенной. Эта – самая короткая –глава посвящена подробному описанию фона ночного неба и тому, чтоможноизнегоизвлечь.

3.1.НаблюдаемыйфонИнойфонневыноситпереднегоплана.

СтаниславЕжиЛец

Поговорим теперь о наблюдаемомфоненочногонеба, то есть о том,что виднеется между звездами. Нашим глазам этот фон кажетсясовершеннотемным,нонасамомделеэто,конечно,нетак–фонинепуст,инетемен.

Рассмотрим повнимательней какой-либо участок ночного неба. Нарис. 45 показано изображение участка неба в направлении созвездияБольшая Медведица (левый рисунок). Размер этой площадки примерноравендиаметруполнойЛуныи в этойобластинеба видналишьроссыпьнеярких звезд. В центре изображения многоугольником выделенанебольшаяплощадка,которуювдекабре1995годанаблюдалкосмическийтелескоп «Хаббл». Форма области соответствует полю зрения такназываемой Широкоугольной и планетарной камеры космическоготелескопа.Наблюденияэтогоучастканеба(онполучилназваниеСеверногоглубокого поля телескопа «Хаббл» или HDF-N) проводились почтинепрерывно в течение двух недель. На итоговом изображении (среднийрисунок)виднооколо3000 галактикивсеголишьнесколько звезднашейГалактики. Это, конечно, не случайно. Целью наблюдений HDF-N былоизучениедалеких галактик,ипоэтомуобластьполябылавыбранадалекоот плоскости Млечного Пути, где спроецированная плотность звездотносительноневелика.

Самые слабые из галактик в HDF-N имеют видимую звезднуювеличину ~ 29m, то есть они более, чем в миллиард раз тусклее самыхслабыхзвезд,доступныхчеловеческомуглазу.Приувеличениилюбогоизфрагментов HDF-N в кажущейся пустоте между яркими объектамипоявляются более слабые (см. правую часть рис. 45). В итоге, еслипосчитать, сколько галактик приходится на единицу площади в глубокихполях, подобных HDF-N, то оказывается, что каждый квадрат небеснойсферысостороной2″–3″содержитгалактику.

Рис. 45. Слева: участок неба размером 0.°5 × 0.°5 в областисозвездия Большая Медведица. Многоугольником указана областьСеверногоглубокогополякосмическоготелескопа«Хаббл»(HDF-N).Вцентре: репродукция HDF-N (размер изображения – 2.’7 × 2.’7).Справа:фрагментизображенияHDF-Nразмером25″×29″.

Изприведенногопримерастановитсяпонятно,чтофонночногонебаскладывается из свечения слабых звезд нашей Галактики и из излучениядалеких галактик. Кроме того, на наблюдаемый фон ночного неба оченьсильновлияетатмосфераЗемли–онасамапосебенемножкосветитсяиз-за фотохимических процессов в ее верхних слоях. Заметный вклад внаблюдаемыйфондаетимежпланетнаяпыль,подсвечиваемаяСолнцем–зодиакальный свет, и межзвездная пыль, подсвечиваемая звездамиГалактики. Есть и другие факторы, влияющие на фон неба, но их вкладменеезначителен.

Суммарный фон ночного неба при наблюдениях с Земли довольноярок,хотяиуступаетпримернов10миллионовразяркостидневногонеба.Например,навысокогорныхобсерваториях,удаленныхотяркойподсветкигородов и находящихся выше приземного слоя воздуха, одна квадратнаясекунда безлунного ночного неба в зените светит в видимом диапазонепримернокакзвезда22звезднойвеличины.Одинквадратныйградуснебасветитужекакзвезда4m(такаязвездаужелегкоразличимаглазом),авсяполусфераночногонебаизлучает как объект –6mили–7m.Это означает,что ночное небо как целое светит ярче любой звезды или планеты, иуступаетлишьСолнцуиЛуне!

Вкладразныхфактороввитоговуюяркостьночногонебаварьируетсясо временем (например, свечение атмосферы усиливается в периодымаксимума солнечной активности) и в зависимости от положенияотносительноплоскостейСолнечной системыиГалактики.В оптическомдиапазонеэтотвкладвсреднемвыглядитпримернотак[35]:

свечениеатмосферы–145N10,

зодиакальныйсвет–60N10,интегральныйсветслабыхзвездГалактики–<5N10,светзвезд,рассеиваемыймежзвезднойпылью,–10N10,диффузноеизлучениевнегалактическихобъектов~1N10.

Итак, оказывается, что оценить реальный фон ночного неба,создаваемый далекими внегалактическими объектами, совсем непросто.Этот фон заслоняется «передним планом» – земной атмосферой,межпланетной и межзвездной средой, звездами Млечного Пути. Еслиучесть все эти помехи, то остающийся внегалактический фон выглядитпримернотак,какпоказанонарис.46.Природаэтогофоновогосвечениявразных спектральных диапазонах сильно отличается. В области самыхвысоких энергий источник фона не вполне ясен, хотя заметный вклад внего, по-видимому, должно вносить излучение активных ядер галактик(квазаров, блазаров и др.). В оптическом и инфракрасном диапазонахфоновое излучение – это интегральный свет звезд и пыли, нагретоймолодыми звездами, от галактик на разных красных смещениях. Вмиллиметровом диапазоне, как видно на рис. 46, доминирует вкладреликтового излучения (раздел 2.4). В радиодиапазоне за фон, по-видимому,отвечаютрадиоисточники–радиогалактики,радиоизлучающиеквазарыидругиеподобныеобъекты.

Рис. 46. Интенсивность космического фонового излучения вразныхспектральныхдиапазонах.Вдольнижнейгоризонтальнойосиотложена длина волны излучения в микронах, вдоль верхней –

соответствующиеэнергииквантоввэлектронвольтах.Итак, внегалактическое фоновое излучение – это дошедший до нас

интегральный свет от всех звезд, галактик и активных ядер галактик,родившихся и эволюционирующих во Вселенной. Поэтому анализ этогоизлучения может дать информацию об истории звездообразования воВселеннойидажеоеевозрасте.

Рассмотрим простой случай. Пусть мы находимся в центре сферы,равномернозаполненнойсветящимсявеществом(звездамиигалактиками)ипустьрадиусэтойсферыравенR,аплотностьсветимостивещества–L(r )=L0.Тогданаблюдаемаяосвещенность,создаваемаявсемизлучениемотнасидограницысферы,можетбытьнайденасуммированиемотr=0доr=R:Q=ct0L0,гдеR=ct0,с—скоростьсвета,at0—возрастнашеймодельной Вселенной. Из этого выражения сразу видно, что величинафонового излучения ( Q ) определяется временем, в течение которогосветили звезды и галактики, то есть, в конечном счете, возрастомВселенной.

Чему равны значенияQ и L 0 в нашей Вселенной?Q— это потокэнергии,проходящийзаединицувременичерезединицуплощадиотвсехизлучающихисточников.Qможетбытьнайденосуммированиемфоновогоизлученияповсемдлинамволн.ПосовременнымданнымQ~(5–10)×10-4 эрг/с·см2). Среднюю плотность светимости L 0 можно грубо оценить,используявкачествесвоегородастандартаэнерговыделениянашеСолнце.ИнтегральнаясветимостьСолнцаLo=4×1033эрг/с,массаMo=2×1033ги,следовательно,энерговыделениеединицымассыСолнца:еo=Lo/Mo=2эрг/с·г). Плотность «светящегося» вещества Вселенной составляетпримерно 0.003 ρc = 3 × 10-32 г/см3 (0,3% критической плотности, см.раздел 2.5 предыдущей главы). Умножаем плотность на еo и получаемследующую оценку плотности светимости: L 0 ~ 6 × 10-32 эрг/с·см3).ПодставляемэтизначениявформулудляQиполучаемоценкувремени,втечение которого должны были излучать звезды и галактики для того,чтобыобеспечитьнаблюдаемуюяркостьночногонеба,– t0=Q/ (c ×L0) ~ 10–20 млрд лет. Замечательный результат! Яркость ночного неба нетолько говорит нам о том, что был Большой взрыв, то есть было некоесобытие, приведшее к появлению звезд и галактик, но и о том, когда онпроизошел.

Предыдущие рассуждения и оценки были, конечно, очень грубыми.Крометого,оникасалисьлишьинтегральной,просуммированнойповсемдлинамволн,яркостифона.Болеедетальноерассмотрениефонавразныхспектральных диапазонах – от гамма-излучения до радиодиапазона

(рис.46)–позволяетполучитьгораздобольшеинформацииоВселеннойионаселяющихееобъектах.

Рассмотрим теперь более реалистичный подход, учитывающий, вчастности, расширение Вселенной. Расширение приводит к увеличениюдлины волны фотонов и, следовательно, к уменьшению их энергии. Такможет расширение Вселенной само по себе способно решитьфотометрический парадокс? Это предположение было высказано всередине XX века английским космологом Германом Бонди, которому,кстати,принадлежитиневполнеудачноеназвание«парадоксОльберса».

Бонди совместно с Голдом в 1948 году предложил собственнуюкосмологическую модель. (Сходную модель практически одновременнорассмотрел Фред Хойл и поэтому теорию стационарной Вселеннойназывают также теорией Бонди, Голда и Хойла.) Модель стационарнойВселенной выглядит довольно привлекательно – Вселенная вечна,бесконечнаинаходитсяв состояниинепрерывногорасширения, то естьвней выполняется закон Хаббла. Вместо космологического принципа,лежащеговосновекосмологииФридмана,теориястационарнойВселеннойопирается на совершенный космологический принцип — Вселенная нетолько однородна и изотропна, но и одинакова во все моменты времени.Для того, чтобы согласовать расширение Вселенной с ее постояннойплотностью, в модели Бонди и др. пришлось допустить непрерывноерождение вещества. Темп этого рождения очень невелик – требуетсяпоявление лишьодного атома водорода в год в кубе со сторонойполторакилометра.Спонтанноерождениевещества–вещь,конечно,странная,новкосмологии много необычного. Важнее то, что стационарнаякосмологическаямодельдавалачеткиепредсказания,которыеможнобылопроверить наблюдениями – например, она предсказывает вполнеопределенную зависимость между расстоянием и красным смещением.Именнонаблюдения,впервуюочередь,реликтовогоизлучения,вконечномитогеиопроверглимодельБондиидр.

ВстационарноймоделиВселеннаявечнаибесконечна.Следовательно,еслионастатична,излучениезвезддолжнозаполнитьвсепространствоинебесная сфера будет сверкать как поверхность звезды. Герман Бондизаключил,чтонестационарностьВселенной,тоестьеерасширение,решаетэту проблему. Галактики на больших расстояниях удаляются от Земли соскоростью,превышающейскоростьсвета,ипоэтомуихизлучениеникогдадо нас не доберется. В теории стационарной Вселенной небосвод,действительно, покрыт изображениями звезд, но мы не видим этисверкающиенебеса,посколькубольшинствогалактикимеютколоссальные

красныесмещенияиненаблюдаемы.Решение Бонди справедливо для его модели Вселенной, однако это

решениечастонеправомернопереносятнареальнуюВселенную,которая,конечно, расширяется, но является ограниченной во времени и впространстве. В нашей Вселенной роль красного смещения вформированиитемногоночногонебанестольвелика.Подробные расчеты яркости ночного неба для разных моделейВселенной показали, что расширение, действительно, уменьшает яркостьфона, но не слишком сильно. При любом разумном выборекосмологических параметров падение яркости составляет лишь примерно40 % от значения для стационарной, не расширяющейся Вселенной.Следовательно, возраст Вселенной и, соответственно, время жизнигалактик и составляющих их звезд, – основные факторы, определяющиенаблюдаемуюяркостьночногонеба.РасширениеВселеннойуменьшаетэтуяркостьнеболее,чемвдвараза.

3.2.РешениефотометрическогопарадоксаКейпосмотрелвверх.Джейвсполошился:–Что?–Какиеоникрасивые,верно?–Кто?–Звезды.Отсюдаихвидноплохо.Из-загородских

огней.Одинумныйчеловекнедавносказалмне,чтомытеперь на них редко смотрим. Думаю, он был прав навсе сто процентов. Я давно на них не смотрю, и онидействительно…прекрасны.

Фильм«Людивчерном»

В конце книги давайте суммируем предложенные за несколькостолетийвариантырешенияфотометрическогопарадокса.СледуяЭдвардуХаррисону, большую часть из нихможно свести в простую таблицу (см.табл.2).Изтаблицывидно,чторешениявпервомприближенииделятсянадвегруппы:1)звездызакрываютвсенебо,ночто-томешаетихувидеть,и2) звезды не закрывают все небо и темные промежутки между нимиреальны.

Таблица2.Историяфотометрическогопарадокса

В пользу первого варианта высказывались Диггес (звезды невидимыиз-заогромныхрасстоянийдоних),Галлей(далекиезвездыслишкомслабыдлянаблюденийи«когдазвездынаходятсянаоченьбольшихрасстояниях,ихизлучениеслабеетбыстрее,чемпообщемуправилу»),Шезо(«звездноепространство заполнено средой, способной слегка задерживать свет»),Ольберс(«вселеннаянеявляетсяабсолютнопрозрачной»),Бонди(красноесмещение, то есть расширение Вселенной). При таком подходе решениефотометрического парадокса свелось к поиску причины, по которой светдалекихзвезддонаснедоходит.Предложенныеобъяснениячастичноилиполностьюневерны.

Вторая группа решений фотометрического парадокса сводится кобъяснению, почему звезды не покрывают всю небесную сферу. Своиварианты ответов дали Кеплер (Солнечная система окружена сферой,содержащей конечное число звезд), фон Герике (число звезд конечно, впромежутках между ними проглядывает бесконечное беззвездноепространство), Гершель и Проктор («…легко представить устройствовселенной,котораябудетоставатьсявточномсмыслесловабесконечной,ивкоторойпроизвольноеколичестволучейзрениянебудутпересекатьсясозвездами»), Эдгар По (Вселенная конечна во времени и в пространстве),Медлер(«конечноевремяпрошлоотначалаТворениядонашихднейимы,следовательно, можем наблюдать небесные тела только до расстояния,

которое свет прошел в течение этого конечного времени»), лордКельвин(ограниченность Вселенной). Фурнье д’Альбе рассмотрел нескольковозможностей – по егомнениюВселеннаяфрактальна и, кроме того, онаможет содержать огромное количество темных звезд, экранирующихизлучение.

Таблица доведена до серединыXX века, поскольку к этому временивсе основные идеи были уже высказаны. Кроме того, в XX веке сталопонятно, что в реальной Вселенной, которая конечна во времени и впространстве и, вдобавок, расширяется (см. предыдущую главу),фотометрический парадокс просто не может возникнуть. За пределаминашейВселенной, возможно, находится что-то еще–Мультивселенная, –однакокакие-либоконтактысдругимивселенными,обменснимиэнергиейи информацией невозможны. Здесь будет снова уместна цитата из«Эврики» Эдгара По: «…не имея доли в нашем происхождении, они неимеют доли в наших законах. Ни они не притягивают нас, ни мы их…Междунимиинами…нетвлиянийвзаимных».Ночное небо – это гигантская, окружающая нас со всех сторон,машина времени. Взгляд на Луну отправляет нас назад на секунду снебольшим, свет от Юпитера и Сатурна, в зависимости от взаимногорасположенияпланетыиЗемли,идетдонасужедесяткиминут.Ярчайшиезвезды мы видим такими, какими они были десятки лет назад.Расплывчатоепятнышконанебе–туманностьАндромеды–отправляетнасвпрошлоеуженадвамиллионалет.Новсеэтонесравнимосфономнеба–темнота,видимаямеждуизображениямизвездигалактик,имеетвозраствмиллиарды лет и она отсылает нас ко времени, когда во Вселеннойрождалисьпервыезвездыигалактики.Взглянувнанебоврадиодиапазоне,мы видим портретВселенной – реликтовое излучение – в возрасте лишьоколо 400 000 лет. Ничуть не преувеличивая можно сказать, что наокружающем нас со всех сторон ночном небе изображено рождение иэволюция Вселенной. В этом, пожалуй, и есть основная тайна неба – нанем,выражаясьнемноговысокопарно,запечатленБольшойвзрыв.

На этом книга закончена. Ее основной темой была загадка ночногонеба–почемуночноенебостольтемноеичтоэтоозначает.Какоказалось,ответить на этот вопрос совсем непросто. Хоть сколько-нибудь внятныйответ требует рассказа о том, как устроена Вселенная, а заодно и о том,откудамывсе это знаемипочемумыв этомтакуверены.Одно тянет засобой другое, и рассказ грозит стать бесконечным, как бесконечно самопознание окружающего мира. В итоге, у меня получилась очереднаяпопытка«объятьнеобъятное»–описатьВселеннуювнемногихсловах,не

скатываясь в чрезмерное упрощение и не сильно греша против истины.Надеюсь, что рассказ о ночном небе не показался слишком скучным и увас, как и у героя стихотворения Уолта Уитмена, сохранилось желание«взглядыватьпороюназвезды»:

КогдаяслушалученогоастрономаИонвыводилпредомноюцелыестолбцымудрыхцифрИпоказывалнебесныекарты,диаграммыдляизмерениязвезд,Ясиделваудиторииислушалего,ивсерукоплескалиему,Носкоро–яисамнепоймуотчего–мнесталотакнудноискучно,Икакябылсчастлив,когдавыскользнулпрочьивполноммолчаниизашагалодинокийСредивлажнойтаинственнойночиИвзглядывалпороюназвезды.

ЛитератураОмногихзатронутыхвкнигевопросахможнопрочитатьвследующих

научно-популярныхкнигах(список,конечно,неполон):АрхангельскаяИ.В.,РозентальИ.Л.,ЧерныйА.Д.2007.Космологияи

физическийвакуум.М.:КомКнига.БарышевЮ.,ТеерикорпиП.2005.ФрактальнаяструктураВселенной.

Очеркразвитиякосмологии.САОРАН.БронштэнВ.А.1974.ГипотезыозвездахиВселенной.М.:Наука.Вайнберг С. 1981. Первые три минуты: Современный взгляд на

происхождениеВселенной.М.:Энергоиздат.ВиленкинА.2010.Мирмногихмиров:Физикивпоискахпараллельных

вселенных.М.:Астрель,CORPUS.Гриб А.А. 2008. Основные представления современной космологии.

М.:Физматлит.Грин Б. 2009. Ткань космоса: Пространство, время и текстура

реальности.М.:Книжныйдом«ЛИБРОКОМ»Громов Α., Малиновский А. 2009. Вселенная. Вопросов больше, чем

ответов.М.:Эксмо.ДевисП.1985.СлучайнаяВселенная.М.:Мир.Ефремов Ю.Н. 2009. Вглубь Вселенной. Звезды, галактики и

мироздание.5-еизд.М.:УРСС.ЛейзерД.1988.СоздаваякартинуВселенной.М.:Мир.ЛидсейДж.Э.2005.РождениеВселенной.М.:ВесьМир.НарликарДж.1985.НеистоваяВселенная.М.:Мир.НовиковИ.Д.1988.КаквзорваласьВселенная.М.:Наука.НовиковИ.Д.1990.ЭволюцияВселенной.3-еизд.М.:Наука.Роуэн-РобинсонΜ.2008.Космология.Μ.:РХД.РубинС.Г.2008.УстройствонашейВселенной.Фрязино:Век2.СажинМ.В.2002.Современнаякосмологиявпопулярномизложении.

М.:ЕдиториалУРСС.СилкДж.1982.Большойвзрыв.М.:Мир.СурдинВ.Г.(ред.)2007.Астрономия:векXXI.Фрязино:Век2.СюняевР.А.(ред.)1986.Физикакосмоса.М.:Советскаяэнциклопедия.Тропп Э.А., Френкель В.Я., Чернин А.Д. 1988. Александр

АлександровичФридман.Жизньидеятельность.М.:Наука.Хеллер М., Чернин А.Д. 1991. У истоков космологии: Фридман и

Леметр.М.:Наука.Хокинг С. 2001. Краткая история времени: От большого взрыва до

черныхдыр.СПб:Амфора.ХокингС.2007.Мирвореховойскорлупке.СПб:Амфора.ЧерепащукA.M.,ЧернинА.Д.2003. Вселенная, жизнь, черные дыры.

Фрязино:Век2.ЧернинА.Д.2006.Космология:БольшойВзрыв.Фрязино:Век2.

Шаров А.С., Новиков И.Д. 1989. Человек, открывший взрывВселенной.М.:Наука.

Посвященные фотометрическому парадоксу книги на английскомязыке:

Jaki S.L. 1969. The Paradox of Olbers’ Paradox: A Case History ofScientificThought.NewYork:HerderandHerder.

Harrison E.R. 1987. Darkness at Night: A Riddle of the Universe.Cambridge:HarvardUniversityPress.

Harrison E.R. 2000. Cosmology: the science of the universe. Secondedition.Cambridge:CambridgeUniversityPress.

Overduin J.M., Wesson PS. 2003. Dark Sky, Dark Matter. Bristol andPhiladelphis:InstituteofPhysicsPublishing.Династия

Фонд некоммерческих программ «Династия» основан в 2001 годуДмитрием Борисовичем Зиминым, почетным президентом компании«Вымпелком».

Приоритетные направления деятельности Фонда – развитиефундаментальной науки и образования в России, популяризация ипросвещение.

«Библиотека Фонда «Династия» – проект Фонда по изданиюсовременныхнаучно-популярныхкниг,отобранныхэкспертами-учеными.

Книга,которуювыдержитевруках,выпущенаврамкахэтогопроекта.Более подробную информацию о Фонде «Династия» вы найдете поадресуwww.dynastyfdn.ru

Примечания1Например, «Человек раздвоен снизу, а не сверху, – для того, что две

опорынадежнееодной»(КозьмаПрутков).2Когдавпервыебылаосознанаэтазагадка,мирсчиталсясостоящимиз

звезд. Сейчас мы знаем, что основными «кирпичиками» Вселеннойявляютсянезвезды,агалактики.Однакодляформулировкипарадоксаэто

неважно,посколькугалактикисостоятиззвезд.3НагляднымподтверждениемсправедливостипринципаБерриявляется

то, что принцип Арнольда по сути дублирует сформулированный в 1980году так называемый закон эпонимии Стиглера – ни одно открытие неносит имя того ученого, который его сделал. Сам Стиглер при этомссылается на то, что формулировка этого закона принадлежит великомусоциологуРобертуМертону.

4Кривая блеска – изменение видимой звездной величины небесного

объекта со временем, а видимая звездная величина – это безразмернаяхарактеристика освещенности (п. 1.2). Для звезд понятия звезднаявеличина,блескияркостьчастоиспользуютсякаксинонимы.

5Параллакс – изменение направления на светило при наблюдениях из

разныхточек(видимоеизменениеположениянебесногосветилавследствиеперемещениянаблюдателя).Суточныйпараллакс–разницавнаправленияхна светило из центра Земли и из точки на поверхности Земли. Другимисловами,этоугол,подкоторымсосветилавиденрадиусЗемли.

61 пк (парсек) – это расстояние, с которого средний радиус орбиты

Земливиденподугломв1угловуюсекунду.Парсекравен3.26световогогода или примерно 3×1018 см. В окрестности Солнца характерныерасстояниямеждузвездамиблизкик1пк.

7Ньютон принял, что Сатурн отражает 1/4 падающего излучения, что

примерно в два раза меньше реального альбедо планеты. Использованиеправильного альбедо несколько уменьшило бы оценку расстояния исделалобыееещеболеереалистичной.

8С2006годаЦерераклассифицируетсякак«карликоваяпланета».9ЭтаоценкаосновананаидееГельмгольцаотом,чтоСолнцеизлучает

за счет выделения гравитационной энергии при постепенном сжатии.Основной механизм энерговыделения в звездах, конечно, другой – этотермоядерные реакции, за счет которых подобные Солнцу звезды могутсветить ~1010 лет. Однако такое увеличение продолжительности жизнизвезд,посути,неменяетвыводыТомсона.

10

Цефеиды – яркие звезды, систематически изменяющие свой блеск.Причиной изменения блеска цефеид являются радиальные пульсации, входе которых они периодически увеличивают и уменьшают свой размер.Механизм этих пульсаций отчасти сходен с подпрыгиванием крышки накастрюлескипящейводой–давлениенакапливающегосяпара заставляеткрышку приподняться, пар выходит, крышка опускается, давление параснованачинаетрастиит.д.Уцефеидролькрышкииграетвнешнийслойчастично ионизованного гелия, а роль пара – излучение звезды:непрозрачность наружного слоя задерживает идущее из недр звездыизлучение, слойнагревается,начинаетрасширяться, состояниеионизацииувеличивается, слой становится более прозрачным, затем расширившаясяоболочкаохлаждается,сжимается,непрозрачностьрастет,излучениесновазапираетсяит.д.

11ЦитируетсяпокнигеЮ.Н.Ефремова«ВглубьВселенной».12Красное смещение, обычно обозначаемое буквой z, – это

относительноесмещениелинийвспектренебесногообъекта:z=(λ–λ0)/λ0, где λ – наблюдаемая длина волны линии в спектре космическогообъекта, а λ0 – длина волны той же линии в спектре неподвижноголабораторного источника. При интерпретации z как следствия движенияисточника,тоестьрезультатаэффектаДоплера,скоростьдвиженияобъектанаходитсяпростокакν=с×z(приν«с),гдес–скоростьсвета.

13КаквспоминалСендидж,Хабблплохореагировалнакритикуи,когда

Джесси Гринстейн в конце 1930-х годов опубликовал заметку, в чем-тоопровергавшую его результаты, Хаббл был недоволен. В конце 1940-хгодов Гринстейн перебрался в Калифорнийский университет и посовместительствусталработатьвобсерваторииМаунтВилсон,гдес1919годаужеработалХаббл.Сендиджотметил,чтоХабблиГринстейнтакинесталиблизкимиколлегамииихотношениявсегдаоставалисьхолодными.

Летом 1949 года Хабблу для работы на Маунт Вилсон понадобилсястудент.ОнобратилсясэтимвопросомкГринстейнуитотпорекомендовалему Сендиджа. Таким образом, с начала 1950 года Алан Сендидж сталсотрудникомХаббла.СвоивоспоминанияотомвремениСендиджзакончилвопросом: «Кого бы Гринстейн послал к Хабблу, если бы они былидрузьями?».

14В1961годувовремяоднойизконференцийАланСендиджоказался

рядом сЖоржемЛеметром. Леметр поинтересовался у Сендиджа, можетлионпредставить себе кривизнупространства, его красотуинеевклидовхарактер. Сендидж признался, что он пытался, но это оказалось не посилам его воображению. Леметр ответил: «Жаль.Мир нельзя понять безэтого. Если ваша интуиция не срабатывает, возможно, вам стоит сменитьвиддеятельности».

15Приведенное выше описание красного смещения в терминах

концепции расширяющегося пространства является в настоящее времянаиболее популярным. Однако, как отмечают некоторые космологи,слишком буквальная трактовка расширения в виде поверхностирасширяющегося резинового шарика, может приводить к ошибкам. Притаком описании, например, сложно удержаться от неверногопредставления, что наша Галактика, Солнечная система и вообще любыеобъекты также должны расширятся. Как считает, например, известныйанглийский космолог Джон Пикок, космологическое красное смещениеболее естественно рассматривать как совокупность бесконечно малыхкинематическихдоплеровскихсмещений.Этоозначает,чтоонаблюдаемомвспектрахдалекихобъектовкрасномсмещенииможновсе-такиговоритькак об эффекте Доплера с той оговоркой, что для его расчета нельзяпользоватьсяизвестнымиизклассическойфизикиилиспециальнойтеорииотносительностиформулами.

16ОсновыэтихидейбыливысказаныГамовымвустномдокладеещев

1942году,аперваяпубликацияотноситсяк1946году.17ИсторияоднойизэтихработувлекательноописанаА.Д.Чернинымв

статье «Как Гамов вычислил температуру реликтового излучения, илинемного об искусстве теоретической физики» – см. Успехи физическихнаук,том164,стр.889,1994.

18Иногда можно встретить утверждения, что Пензиас и Вилсон были

радиоинженерами. Это не совсем так. Работая в компании, Пензиас иВилсонзанимались,конечно,итехническимивопросами,ноихосновныеинтересылежаливобластиастрономии.Ковременисвоейработыв«Белл»оба исследователя уже защитили диссертации по радиоастрономии –работаПензиасабылапосвященаисследованиюрадиоизлучениягалактиквскоплениях,аВилсонзанималсяизучениемнашейсобственнойГалактики.Реликтовоеизлучениебылооткрытоимивходетестовыхастрономических

наблюдений.19Температура рекомбинации в первом приближении определяется

энергией связи атома водорода, равной 13.6 эВ (именно такая энергиятребуется, чтобы ионизовать водород, «оторвать» от него электрон).Реальнаярекомбинация(переходизплазменноговгазообразноесостояние)произошла при гораздо меньшей температуре (~0.3 эВ или ~3000 К).Основная причина – в эту эпоху плотность фотонов уменьшиласьнастолько, что процессы рекомбинации начали преобладать надпроцессами ионизации, то есть нейтральные атомы стали попросту«выживать». До этого времени образующиеся нейтральные атомы сновабыстроионизовывались.

20Этот эффект состоит в том, что фотоны микроволнового фонового

излучения рассеиваются на горячем газе скоплений, что приводит кискажениюнаблюдаемогоспектрареликтовогоизлученияиклокальномууменьшениютемпературыреликтовогофонавнаправлениинаскопления.

21Именно такой самолет1мая1960 годабыл сбит советской зенитной

ракетой в районе Свердловска. Пилот – Фрэнсис Пауэре – спасся напарашютеивфеврале1962годаегообменялиназнаменитогосоветскогоразведчикаРудольфаАбеля.

22Годы войны оставили почти незамеченными еще несколько

замечательных, сильноопередившихсвое время, работ.Например, в 1941годушведский астрономЭрикХольмберг впервые смоделировал процессвзаимодействия двух галактик, на два-три десятилетия предвосхитивнекоторые результаты, полученные позднее с помощью компьютеров. Всвоей работе Хольмберг воспользовался тем, что освещенность, как игравитация, уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.Это позволило Хольмбергу представить каждую из двух галактик в видекруга из 37 лампочек, а неоднородности гравитационного поля, всоответствиискоторымиперемещалисьзвезды(лампочки),измерялисьимспомощьюфотоэлемента!

Осталась незамеченной и работа американца Карла Сейферта,описавшего в 1943 году несколько галактик с сильными эмиссионнымилиниямивядрах.СейчастакиеобъектыназываютгалактикамиСейфертаиони являются представителями интенсивно изучаемого класса галактик сактивнымиядрами,ккоторомупринадлежат,кстати,изнаменитыеквазары.

23Барионы – общее название тяжелых элементарных частиц с

полуцелым спином, самыми известными из которых являются протоны инейтроны.

24Вскоре после образования группы интересы Пеннипакера стали все

больше смещаться в сторону образования. Он основал знаменитыймеждународный образовательный проект «Hands-οn Universe* и сталпосвящатьемуосновноевремя.

25ДиаграммаХаббла–зависимостьвидимойзвезднойвеличиныобъекта

открасногосмещения.26Верхнийзначок«m»означаетзвезднуювеличину.27Один из первооткрывателей, БрайанШмидт, чье высказывание было

процитировановжурнале«Science»вфеврале1998года,сказалтак:«Моясобственная реакция была чем-то между изумлением и ужасом.Изумлением,потомучтояпростонеожидалэтогорезультата,аужасом–отзнаниятого,чтовнего,вероятно,неповеритбольшинствоастрономов,которые, как и я сам, чрезвычайно скептически относятся кнеожиданностям».

28Непутатьстемнойматерией,обсуждавшейсявп.2.5!29Не могу удержаться, чтобы не привести шутливые высказывания

знаменитого советского физика Я. И. Померанчука, заметившего, чтовакуум не пуст, он полон глубокого физического содержания, и что всяфизика–этофизикавакуума.

30Реакция нескольких коллег-физиков приведена Вайнбергом в книге

«Мечты об окончательной теории». К примеру, американский космологДжимПиблспредположил,чтов тотдень,когдаВайнберг этонаписал,унегопростобылоплохоенастроение.

31Встихотворении«Странно»ИгорьСеверяниннаписалтак:

Мыживем,точновсненеразгаданном,Наоднойизудобныхпланет…

32Существует множество терминов для описания такого ансамбля

вселенных –Мегавселенная,Метавселенная,Мультиверс (от английскогоMultiverse)идр.

33Полувшутку-полувсерьез космологи иногда говорят, что история

Вселенной–этопростоисторияобразованияираспадаскалярныхполей.34ИзвестныйамериканскийфизикБрайанГринпредложилследующую

метафору: «Если мы сравним массу частицы со степенью известностиличности, то океан Хиггса будет подобен толпе папарацци: неизвестныеперсоны проходят через толпящихся фотографов с легкостью, но видныеполитикиикинозвездыпроталкиваютсясбольшимтрудом».ПапараццивэтомсравнениииграютрольбозоновХиггса.

351Ν10–одназвезда10-йзвезднойвеличинынаквадратныйградус.