Большой взрыв. Рождение и эволюция Вселенной - Силк Дж.

Автор: Силк Дж.
Теги: этика учение о морали практическая философия космогоническая астрономия физика вселенная математическая физика астрофизика большой взрыв издательство мир история вселенной
Год: 1982
Похожие
Наука. Величайшие теории. Выпуск № 42 - Гамов. Большой взрыв
Введение в теорию ранней вселенной. Теория горячего большого взрыва
На подступах к большой войне
Большая Советская энциклопедия. СССР
Текст
                    
THE CREATION AND EVOLUTION OF THE UNIVERSE
ДЖ. сил к
большой взрыв
РОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ
ВСЕЛЕННОЙ
Перевод с английского
канд. физ.-мат. наук А. Г. Полнарева
под редакцией
д-ра физ.-мат. наук, проф. И.Д. Новикова
МОСКВА «МИР» 1982
ББК 22.68
С36
УДК 17.5.7
Силк Дж.
С36 Большой взрыв: Пер. с англ./Перевод Полнарева А.Г.;
Под ред. и с предисл. И.Д. Новикова-М.: Мир, 1982.-391 с.,
ил.
Книга известного американского астрофизика Джозефа Силка рассказывает о развитии и со-
временном состоянии космологии.
Проблемы происхождения и строения окружающего мира интересовали человека с давних вре-
мен. Но только в наши дни ученые, вооруженные результатами новейших астрономических откры-
тий, смогли построить научно обоснованную, хотя и не окончательную теорию эволюции Вселенной.
Книга предназначена для широкого круга читателей, интересующихся проблемами современно-
го естествознания.
„ 1705070000-021
С-----------------159 - 82, ч. 1	гг„
041(01)-82	ББК 22.68
Редакция научно-популярной и научно-фантастической литературы
© 1980 by W. Н. Freeman and Company
© Перевод на русский язык, «Мир», 1982
ПРЕДИСЛОВИЕ
РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Книга известного американского астрофизика, профессора Калифорнийского
университета в Беркли Джозефа Силка посвящена эволюции Вселенной. Когда
говорят об эволюции Вселенной, обычно имеют в виду эволюцию именно всей
Вселенной, всего мира в целом (т. е. эволюцию, описываемую космологией), а не
эволюцию отдельных небесных тел и их систем, например звезд или галактик.
Автор данной книги трактует эту тему гораздо детальнее. Он рассказывает не
только об эволюции Вселенной в целом, начиная с первых мгновений ее расши-
рения и до настоящего времени, но и о рождении и эволюции галактик, о рож-
дении и эволюции звезд и даже о возникновении и эволюции Солнечной
системы.
И все же, охватывая все аспекты эволюции небесных тел, книга Дж. Силка
рассказывает в первую очередь о Вселенной в целом. Об этом говорит и назва-
ние книги-«Большой взрыв». Так кратко называют и в специальной, и в попу-
лярной литературе за рубежом совокупность процессов, происходивших в самом
начале расширения Вселенной. Название это связано с двумя обстоятельствами.
Во-первых, Вселенная расширяется. Расширение Вселенной, уменьшение плотно-
сти вещества в ней, аналогично расширению газа при взрыве. Во-вторых, в нача-
ле расширения вещество Вселенной было весьма горячим. Это тоже напоминает
состояние газов при взрыве заряда, которые имеют большие температуры. Но
необходимо подчеркнуть весьма важное отличие расширения горячей Вселенной
от расширения горячих газов при взрыве. При обычном взрыве горячий газ за-
нимает вначале малый объем, имеет большое давление, значительно превосхо-
дящее давление наружное. Именно разность (перепад) давлений создает силу, за-
ставляющую газ расширяться. Расширение же Вселенной нельзя рассматривать
как расширение очень плотной вначале материи в окружающую пустоту, ибо
окружающей пустоты нет. Вселенная-это все существующее, вне ее нет ничего^
в том числе и пустоты. Вещество Вселенной с самого начала однородно запол-
няло все безграничное пространство. И хотя давление было огромным, оно не
создавало расширяющей силы, так как повсюду было одинаковым. Причины на-
чала расширения Вселенной связаны с квантовыми эффектами, возникающими
в поле тяготения при огромных плотностях материи. Эти эффекты еще далеко
не ясны; современная наука только начинает их исследовать. Итак, термин
«Большой взрыв»-только образное выражение. Но образ этот весьма яркий
и поэтому широко употребляется, в частности в данной книге.
Следует подчеркнуть условность еще одного выражения, встречающегося
в книге. Речь идет о выражении «рождение Вселенной» или «возникновение Все-
ленной». Во всех случаях имеется в виду «возникновение современного состоя-
ния Вселенной»-начало расширения Вселенной. Естественно встает вопрос:
а что было до начала расширения Вселенной? Космология пока не в состоянии
дать достоверный ответ на него. Это одна из проблем, над которыми работают
специалисты. Пока даже не ясно, как следует формулировать сам вопрос. Ведь
в необычных условиях начала расширения Вселенной, при фантастических плот-
ностях материи совершенно иными были свойства и пространства, и времени.
Поэтому само понятие «до того» может оказаться бессмысленным, и проблему
придется формулировать как-то иначе.
Вопрос об эпохе до начала расширения и вопрос о причинах начала расши-
рения Вселенной тесно связаны. В последние годы успехи физики, в первую оче-
редь теоретической физики, выявляющей единую природу разных видов физиче-
5
ских взаимодействий (гравитационного, слабого, электромагнитного, сильного),
дают надежду на решение этих фундаментальных проблем естествознания. Раз-
витие идей о природе физических взаимодействий позволит, вероятно, решить
и другие проблемы космологии. К ним, в частности, относится вопрос о воз-
никновении небольших первичных уплотнений материи, охватывающих большие
массы вещества, из которых спустя миллиарды лет возникли галактики. В пре-
дисловии к русскому изданию книги Джозеф Силк специально подчеркивает
важность успехов современной физики для космологии.
Проблемы структуры окружающего нас мира, его истории волновали лю-
дей всегда, но, несомненно, интерес к ним особенно возрос за последнее время,
и это не случайно. Дело в том, что только в XX в. космология превратилась
в подлинную науку, в один из разделов астрофизики. Она, как и другие области
астрофизики, основывает свои теории на данных наблюдений, а выводы теорий
в свою очередь проверяются новыми наблюдениями. В предыдущие же эпохи
космологические концепции часто строилась на совершенно абстрактных умоза-
ключениях. Развитие современных методов астрофизических исследований дало
космологии надежный наблюдательный базис. Не. менее важную роль сыграло
также развитие физики-создание современной теории тяготения и физики эле-
ментарных частиц, что обеспечило космологии прочную теоретическую основу.
Надежность и обоснованность выводов космологии, а не пустые домыслы
и фантазии-это одна из причин возросшего интереса к космологии в наши дни.
Другая причина связана с тем, что открытия, сделанные в космологии, оказа-
лись увлекательнее любых фантазий. Поэтому не удивительно, что сегодня
проблемы космологии и эволюции Вселенной привлекают внимание не только
специалистов, но и самых широких кругов людей, далеких по своим профессио-
нальным интересам'от этой области науки.
Именно таким читателям и адресована книга Дж. Силка «Большой взрыв».
Несмотря на сложность затрагиваемых в ней проблем, книга написана достаточ-
но просто и доступна пониманию неспециалиста. Автор пытается, не прибегая
к помощи математики, излагать сложные выводы современной науки. Это, ко-
нечно, накладывает определенный отпечаток на стиль книги, вынуждает авто-
ра прибегать к упрощениям и аналогиям, которые были бы излишни при
изложении вопроса для специалистов. Важнейшие математические формулы
и выводы автор приводит в отдельном математическом приложении в конце
книги; этот раздел предназначен для более подготовленного читателя.
Тем из читателей, которые после прочтения книги Дж. Силка захотят более
подробно ознакомиться с проблемами космогонии и космологии, в дополнение
к списку литературы, предложенному автором, мы хотели бы порекомендовать
следующие книги советских авторов:
1.	Гуревич Л.Э., ЧернинА.Д. Введение в космогонию-М.: Наука, 1978.
2.	Зельдович Я. Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной,-М.: На-
ука, 1975.
3.	Мухин Л.М. Планеты и жизнь-М.: Молодая гвардия, 1980.
4.	Новиков И.Д. Эволюция Вселенной,-М.: Наука, 1979.
5.	Шкловский И. С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть.-М.: Наука, 1977.
И. Новиков
ВСТУПЛЕНИЕ
Самым важным из научных открытий за всю историю человечества не без осно-
вания можно считать возможность объективного познания Вселенной в це-
лом-всего сущего - методами физики и астрономии. Этим открытием мы обя-
заны астрономам-наблюдателям 20-30-х годов нашего века, установившим, что
основными строительными блоками Вселенной являются галактики, состоящие
из звезд, а также физикам-теоретикам, которые примерно в те же годы показа-
ли, что Вселенную вполне возможно самосогласованным образом описать с по-
мощью общей теории относительности Эйнштейна.
И вот Вселенная предстала перед человечеством наделенной настолько уди-
вительными свойствами, что иные космологические открытия становились сен-
сацией, привлекая внимание широкой общественности. Это вызвало потребность
в книгах, которые давали бы ответы на вопросы, возникающие при попытке не-
посвященных понять эту странную Вселенную, в которой мы появились по воле
случая. Данная книга представляет собой одну из последних попыток удовлетво-
рить эту потребность. Она подробным образом, но вполне доступно знакомит
читателя с современными представлениями о Вселенной, уделяя особое внима-
ние замечательным открытиям, которые были сделаны в астрономии в послед-
ние несколько лет.
Почему я говорю, что Вселенная современных астрономов столь удивитель-
на? Можно было бы предположить, что, хотя физические (и биологические) сис-
темы, непосредственно окружающие нас, и эволюционируют со временем, эта
эволюция происходит на фоне Вселенной, которая в больших масштабах остает-
ся неизменной. Оказывается, это не так. Вселенная в целом-все сущее-тоже
подвержена эволюции. Мы узнали об этом после открытия Хабблом системати-
ческого расширения Вселенной. Более того, как по астрономическим, так и по
земным стандартам Вселенная изменяется очень быстро. Когда впервые на Зем-
ле возникла жизнь, внешние галактики находились настолько ближе к нашей Га-
лактике Млечный Путь, что средняя плотность вещества во Вселенной тогда
примерно вдвое превышала сегодняшнюю. Если этот факт не произведет на чи-
тателя достаточного впечатления, то я могу добавить следующее: заглянув
в прошлое всего лишь в два раза дальше, мы обнаруживаем, что вещество всех
галактик, в том числе и нашей собственной, было собрано в единую систему
с бесконечной плотностью, которую теоретики называют сингулярностью,-
тогда-то и произошел Большой взрыв. Согласно нашим сегодняшним пред-
ставлениям, это был «первый момент» наблюдаемой ныне Вселенной, и
нет сомнения, что будущие исследования позволят нам понять сам Боль-
шой взрыв.
Все эти открытия постепенно раскрывают нам удивительную историю,
и профессор Джозеф Силк рассказывает о самом интересном в этой истории.
Подчеркивая физический смысл описываемых явлений и уделяя значительное
внимание роли теории относительности, он рисует внушительную и содержа-
тельную картину Вселенной, доступную пониманию не только ученых, но и лю-
дей, далеких от науки.
Октябрь 1979 г.
Д. Шама,
профессор физики Техасского университета, Остин, Техас
Тимоти
ПРЕДИСЛОВИЕ
Буквально захватывает дух, когда в ясную ночь глядишь на небо и понимаешь,
что наше Солнце-это обычная звезда среди мириадов мерцающих звезд. Но да-
же это ощущение отражает наше истинное место во Вселенной не более, чем за-
главие отражает содержание романа. Только одна наша Галактика-Млечный
Путь содержит более сотни миллиардов «солнц», хотя почти все они слишком
слабы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Наша Галактика
в свою очередь ничем не выделяется среди других: десятки миллиардов подоб-
ных галактик разбросаны по всей наблюдаемой Вселенной. И за пределами на-
шего космического горизонта, возможно, также лежат неисчислимые множества
галактик, которые появятся в поле нашего зрения в далеком будущем.
Осознание того, что мы лишь пылинки в огромном вихре мироздания,-вот,
что досталось нам от многовекового развития астрономии. Каким было начало
этого вихря? Что уготовано Вселенной в будущем? Эти вопросы всегда волно-
вали человека. И лишь в наши дни, с помощью больших современных телеско-
пов, мы можем кое-что узнать о возникновении Вселенной. Во все предшество-
вавшие века астрономы могли только строить умозрительные догадки, но
в XX в. мы столкнулись с фактами. Современные астрономические данные, кро-
потливо накопленные на обсерваториях, разбросанных по всей Земле и парящих
в космическом пространстве вокруг нее, рассказывают нам о «муках», в которых
творилась ранняя история Вселенной. Мы имеем возможность изучать эволю-
цию галактик, звезд, Земли, самой жизни. Но в наших знаниях еще много пробе-
лов, и мы глядим на Вселенную словно сквозь дымку, а порой как будто даже
сквозь густой туман. И все же в настоящее время вырисовывается общая карти-
на, позволяющая нам приводить в систему то, что мы уже знаем,-это теория
эволюции Вселенной, которая образно называется теорией Большого взрыва.
Чтобы показать «сцену», на которой разыгрывается «космическая драма»,
мы начали книгу с рассказа об истории развития космологических идей,-от
умозрительных построений древнегреческих ученых-философов до современных
научно обоснованных теорий. Далее в книге дан анализ данных, свидетельствую-
щих в пользу теории Большого взрыва и приведено упрощенное изложение этой
теории, включая различные модели Большого взрыва. Большая часть астроно-
мических данных, касающихся космологии, получена сравнительно недавно и за-
служивает дальнейшего более детального исследования. Тем не менее совершен-
но очевидно, что теория Большого взрыва дает наилучшее объяснение
совокупности имеющихся наблюдательных данных. В последующих главах опи-
сана история Вселенной, начиная с первых микросекунд ее возникновения, а так-
же «судьба», которая, как предполагается, может ожидать ее в бесконечном
будущем.
Поскольку строительными блоками Вселенной являются галактики, чтобы
понять Вселенную в целом, мы должны понять их происхождение и эволюцию.
Поэтому мы подробно рассказали о том, как образовывались галактики, как
они собирались в скопления и группы. Следующие главы посвящены неразга-
данным тайнам радиогалактик и квазаров. Мы узнаем также, как образовыва-
лись первые звезды, и проследим судьбу последующих поколений звезд-их
рождение и смерть в различные эпохи. Кульминацией нашего «космического пу-
тешествия» будет рассказ об образовании тяжелых элементов и Солнечной сис-
темы. В заключительных главах мы пытаемся нарисовать будущее Вселенной
и обсуждаем возможные альтернативы теории Большого взрыва.
8
Многие из вопросов, затронутых в настоящей книге, до сих пор служат
предметом ожесточенных непрекращающихся споров между исследователями.
Касаясь таких вопросов, мы, как правило, придерживались точки зрения боль-
шинства ученых, но не оставляли без внимания и другие теории. В тех же вопро-
сах, по которым отсутствуют общепринятые представления, автор считал воз-
можным высказывать собственное суждение. Так, обсуждение рождения
галактик и звезд носит, к сожалению, весьма субъективный и умозрительный
характер.
Однако теория Большого взрыва в основном покоится на фактах, и гораздо
в меньшей степени-на умозрительных построениях. Кроме того, относительная
простота теории Большого взрыва по сравнению с более экзотическими космо-
логическими теориями заставляет отдать предпочтение именно ей. Решающие
космологические тесты можно провести только с помощью телескопа, а не фи-
лософских споров. Современные космологические данные преимущественно сви-
детельствуют в пользу теории Большого взрыва, и в этом читатель сможет
убедиться сам.
Первые наброски этой книги я начал, когда состоял членом научного обще-
ства Гугенхейма и был направлен из Беркли в Институт высших исследований
(Принстон). Большую часть оставшейся работы я завершил, находясь в качестве
приглашенного профессора на физическом факультете Калифорнийского универ-
ситета у Дэвиса, которому я очень благодарен за гостеприимство. Я также при-
знателен П. Джеймсу Пиблсу, Уильяму Барку, Джону Барроу, Дж. Ричарду Бон-
ду, Бернарду Карру и Мишелю Роуан-Робинсону, которые прочли целиком или
частично рукопись этой книги и высказали ряд критических замечаний и предло-
жений. Меня вдохновляли идеи Джорджа Гамова. Ларри Олсену я глубоко при-
знателен за блестящую работу над рукописью этой книги.
Октябрь 1979 г.
Джозеф Силк
ПРЕДИСЛОВИЕ
К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Человечество может найти свое место во Вселенной в ходе ее расширения от на-
чала, окутанного тайной, до будущего, которое неизвестно. Развитие теории
Большого взрыва прослеживается от геоцентрической космологии древних-че-
рез гелиоцентрическую космологию эпохи Возрождения-до современной кос-
мологической теории, которая создавалась по мере исследования новых далеких
областей Вселенной.
Новая космология использовала сложнейшие астрономические приборы, ко-
торые позволили человечеству заглянуть в мир галактик. Но великие озарения
также сыграли важную роль. Одна очень существенная идея, на основе которой
мы пытаемся предсказать будущее Вселенной, заключается в предположении,
что ее структура в самых больших масштабах должна быть возможно более
проста. Этот принцип оказался очень плодотворным для успешного развития
космологии. Другой принцип состоит в том, что место человека во Вселенной не
должно быть ничем выделено. Это помогло нам окончательно избавиться от ан-
тропоцентрического взгляда на космос, конечно, в тех пределах, которые опре-
делены нашим положением в нем в качестве наблюдателей.
Я рад представившейся мне возможности пригласить советских читателей
в таинственный мир современной космологии. С тех пор как книга «Большой
взрыв» вышла в свет в 1979 г., в космологии произошло немало нового; это свя-
зано с применением теории «Великого объединения» (объединение в рамках
одной теории электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий), разра-
батываемой в физике элементарных частиц, для анализа процессов, происходив-
ших во Вселенной в первую наносекунду после Большого взрыва. Вполне воз-
можно, что решение фундаментальных загадок космологии, включая происхо-
ждение «затравочных» флуктуаций, которые привели к возникновению галактик,
однородность Вселенной и возникновение самого вещества, будет найдено в эк-
зотических процессах, которые естественным образом и даже неизбежно должны
были происходить в экстремальных условиях в очень ранней Вселенной. Но эта
работа находится еще в зачаточном состоянии, рождая у космологов лишь про-
блеск надежды на то, что тайны первых мгновений Вселенной со временем бу-
дут раскрыты.
Октябрь 1981 г.
Джозеф Силк,
Беркли, Калифорния
ВВЕДЕНИЕ В КОСМОЛОГИЮ
1
Я собираюсь искать грандиозное «может быть».
Франсуа Рабле
Космология1 -это наука, которая занимается изучением крупно-
масштабной структуры и эволюции Вселенной. Исследуя уда-
ленные области пространства, мы заглядываем в прошлое.
Самые удаленные галактики мы видим такими, какими они были
очень давно, когда испущенный ими свет начал свое долгое путе-
шествие в пространстве. Когда-то даже самые огромные галак-
тики были молодыми, и поэтому вопрос о том, как возникла
структура космоса, тесно связан с космологией. Изучением про-
исхождения наблюдаемых во Вселенной структур-от гигантских
скоплений галактик до Солнечной системы - занимается космого-
ния. Среди проблем, которые стоят перед исследователями, наи-
более существенны следующие: как и когда начиналась Вселен-
ная, как образовывались галактики и как создавалось наблюдае-
мое ныне многообразие их форм и размеров, как рождаются
звезды, как эволюционируют планеты и жизнь?
Еще двадцать лет назад ответить хоть сколько-нибудь опре-
деленно на главные вопросы космологии и космогонии предста-
влялось невозможным. Наши познания о далекой и, следователь-
но, ранней Вселенной были настолько скудны, что для
объяснения наблюдательных данных было выдвинуто несколько
сильно различающихся между собой теорий. Однако в последние
годы астрономы сделали поразительные новые открытия, касаю-
щиеся природы Вселенной, которые послужили убедительным
аргументом в пользу одной космологической теории. Сегодня
главные вопросы космологии и космогонии исследуются в рам-
ках теории Большого взрыва2.
Хотя мы все еще не в состоянии ответить на все основные
вопросы космологии, теория Большого взрыва дает нам в самых
общих чертах картину эволюции Вселенной. В дальнейшем мы
расскажем об открытиях, подтверждающих теорию Большого
взрыва, и попытаемся проследить эволюцию Вселенной с самых
1 Определение терминов, выделенных курсивом, дано в словаре, приведен-
ном в конце книги.
2 О смысле этого названия говорится в предисловии редактора перевода,—
Прим. ред.
11
начальных моментов ее зарождения. Однако мы обнаружим, что
всякая попытка ответить на одни важнейшие вопросы космоло-
гии и космогонии неизбежно порождает новые вопросы и про-
блемы. В этой теории остается еще много неясного, и в таких
случаях мы можем приводить альтернативные гипотезы, указы-
вая направления будущих исследований, которые позволили бы
сделать выбор между различными гипотезами.
Итак, наша книга рассказывает о прошлом и будущем Все-
ленной, а также прошлых и будущих попытках человека познать
ее. Но прежде всего мы остановимся на описании принципов, ко-
торые лежат в основе любой космологической теории.
КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ
Уже давно людям-хотели они того или нет-пришлось отка-
заться от представления о том, что человек есть центр мирозда-
ния. Сначала была отвергнута долго господствовавшая модель
геоцентрической Вселенной, в дальнейшем пришлось отказаться
и от модели гелиоцентрической Вселенной. Но только в XX в.
люди поняли, что Солнце-это обычная звезда, расположенная
на краю обычной галактики, а наша Галактика-только часть
разреженного галактического образования, лежащего на перифе-
рии большого скопления галактик. И даже это скопление, ско-
пление Девы,-лишь бледное подобие действительно огромных
скоплений галактик, которые мы наблюдаем в других областях
Вселенной. Так что место, занимаемое нами во Вселенной, абсо-
лютно ничем не примечательно.
Эти сведения, полученные из наблюдений на самых больших
оптических телескопах, поставили космологов перед нелегкой
проблемой: дело в том, что все наши наблюдения производятся
с одного совершенно определенного места во Вселенной, а для
построения космологической теории требуются объективные зна-
ния о распределении и свойствах вещества во всей Вселенной.
Космологи вынуждены как-то обходить эту неприятную ограни-
ченность наших знаний; именно так они и поступают, постули-
руя универсальный принцип, утверждающий, что расположенный
вблизи нас уголок Вселенной ничем не отличается от более дале-
ких и даже недоступных нам ее областей. Имеются достаточно
веские аргументы философского порядка в пользу такого универ-
сального принципа. Прежде всего законы физики должны быть
едины для всей Вселенной; в противном случае одинаковые экс-
перименты приводили бы к разным результатам и устано-
вленные нами законы физики потеряли бы всякий смысл. Еще
более заманчиво считать, что крупномасштабная структура Все-
ленной весьма проста. Это естественный путь развития физи-
ки-пытаться объяснить явления с помощью простейших из до-
пустимых моделей. Было, однако, сформулировано несколько
различных космологических принципов.
12
В 1543 г. Коперник выдвинул теорию, согласно которой Зем-
ля не может находиться в центре Вселенной. Логически продол-
жая теорию Коперника, мы уже больше не рассматриваем нашу
Галактику как какое-то особое место в пространстве. Таким
образом, мы приходим к ключевой концепции современной кос-
мологии - космологическому принципу Коперника, гласящему, что
наше положение во Вселенной ничем не выделено в простран-
стве. Внимательное изучение огромного числа галактик, запечат-
ленных на фотографических пластинках, показало, что в любых
направлениях они попадаются практически одинаково часто. Это
свидетельствует о том, что Вселенная локально изотропна, т. е.,
если смотреть с Земли, она выглядит одинаково во всех напра-
влениях. (Если смотреть из центра, то сфера изотропна, а кури-
ное яйцо-нет.) Принцип Коперника предполагает, что Вселенная
приближенно изотропна вблизи любой точки пространства. Эле-
ментарная логика подсказывает, что из изотропности вблизи
произвольно выбранной точки неизбежно должна следовать
однородность Вселенной в пространстве: если бы Вселенная бы-
ла неоднородна, то она выглядела бы изотропной лишь в каких-
то выделенных точках пространства.
Некоторые космологи пытались обобщить космологический
принцип, вводя представление о неизменности Вселенной во
времени. Согласно этому принципу, Вселенная вечна и неизмен-
на-по крайней мере в больших масштабах. Таким образом,
идеальный космологический принцип гласит, что Вселенная выгля-
дит совершенно одинаковой из любой точки пространства и
в любой момент времени. Это предположение приводит к теории
стационарной вселенной, которая противоречит совокупности со-
временных наблюдательных данных. Поэтому сегодня большин-
ство космологов принимают менее категоричную формулировку
космологического принципа и ограничиваются предположением
о приблизительной однородности и изотропии Вселенной в про-
странстве, но не во времени.
Наш краткий обзор космологических принципов не может
быть полным, если не упомянуть об антропном космологическом
принципе. Он отражает противоположную идеальному космоло-
гическому принципу точку зрения и утверждает, что мы наблю-
даем Вселенную в какой-то особый, «привилегированный» мо-
мент времени, хотя современная Вселенная должна была бы
выглядеть одинаково, из какой бы точки пространства мы на нее
ни посмотрели. Предположение об этой «привилегированной»
эре обусловлено тем, что для зарождения и эволюции жизни не-
обходимы особые, благоприятствующие этому условия. Напри-
мер, если бы Вселенная была намного горячей или плотнее, чем
сейчас, то не могли бы образоваться галактики. Если бы грави-
тационная сила существенно отличалась от той, какую мы на-
блюдаем, то планетные системы либо вообще не образовались
бы, либо оказались бы непригодными для возникновения из-
13
вестных форм жизни. Существует, наконец, удивительное совпа-
дение, которое заключается в том, что возраст Земли одинаков (с
точностью до множителя 4) с возрастом самых старых звезд или
галактик, обнаруженных астрономами. С точки зрения антропно-
го космологического принципа это совпадение возрастов являет-
ся само собой разумеющимся. Если бы Вселенная была намного
более нерегулярной и беспорядочной, чем она есть на самом де-
ле, то, как гласит антропный космологический принцип, условия
в ней были бы непригодны для жизни. Таким образом, мы, как
наблюдатели, обитаем в весьма специфической Вселенной
и только эта Вселенная изотропна и однородна. Это соображе-
ние, вытекающее из антропного принципа, весьма фундаменталь-
но, поскольку претендует на объяснение космологического прин-
ципа Коперника, который лежит в основе практически всех
жизнеспособных космологических теорий.
СОВРЕМЕННЫЕ
КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕОРИИ
Каждый вариант космологического принципа порождает свой
особенный взгляд на Вселенную. Космологический принцип Ко-
перника лежит в основе теории Большого взрыва. В самом деле,
теория Большого взрыва фактически предшествовала открытию
расширения Вселенной. Если принять, что Вселенная повсюду
однородна и изотропна, то мы однозначно приходим к теории
Большого взрыва. В настоящее время существуют две различные
космологические модели Большого взрыва. Согласно одной из
них, Вселенной суждено расширяться вечно. Другая же модель
предполагает, что в конце концов Вселенная начнет сжиматься.
В обеих моделях гравитационному притяжению, которое заста-
вляет Вселенную сжиматься, противодействует сила начального
взрыва - в большей степени в модели вечно расширяющейся Все-
ленной и в меньшей степени в модели, предсказывающей неиз-
бежность сжатия.
Согласно теории Большого взрыва, в прошлом Вселенная
должна была быть значительно более плотной и горячей. Эта
теория противоречит идеальному космологическому принципу,
который утверждает, что Вселенная выглядела одинаково во все
времена. Теория стационарной вселенной была построена в стро-
гом соответствии с идеальным космологическим принципом.
Предложенная Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом
Хойлом, эта теория предсказывает неизменность свойств Вселен-
ной во все времена, постулируя непрерывное рождение вещества
именно с той скоростью, которая необходима для поддержания
повсюду во Вселенной неизменной средней плотности. Теория
стационарной вселенной, по крайней мере в своей первоначаль-
ной форме, выглядела весьма смелой. Она была свободна от
14
наиболее слабого пункта теории Большого взрыва-в ней отсут-
ствовал начальный момент рождения Вселенной. Если теория
Большого взрыва может утверждать, что Вселенная возникла
в некоторый момент времени в отдаленном, но в конечном
прошлом, то почему бы не считать, что вещество возникает по-
всеместно, во всем пространстве и во все времена?
Но наблюдательные данные-самый строгий судья, от кото-
рого не укроется ни одна теория,-в конце концов вынесли
смертный приговор столь смелому утверждению теории стацио-
нарной вселенной. Приверженцы теории стационарной вселенной
в течение 50-х годов постепенно видоизменяли ее по мере того,
как проводились все более тонкие астрономические наблюдения,
позволяющие отличать разные теории друг от друга. Каждое но-
вое наблюдение вынуждало все сильнее модифицировать тео-
рию, и лишь самые упрямые сторонники этой теории продолжа-
ли ее отстаивать. Наконец, в 1965 г. теория стационарной
вселенной была полностью опровергнута; это произошло после
открытия космического микроволнового фонового излучения, по-
служившего неопровержимым свидетельством существования
ранней горячей фазы Вселенной. Сегодня теория стационарной
вселенной представляет интерес лишь с точки зрения истории
развития современной космологии.
Хотя сторонники теории стационарной вселенной были выну-
ждены согласиться с тем, что космическое расширение началось
в какой-то единый миг много эпох назад, оставалось еще множе-
ство вполне жизнеспособных космологических моделей возмож-
ного поведения Вселенной на ранних этапах ее возникновения.
Космологический принцип Коперника подтверждается самой на-
блюдаемой Вселенной, блестящее описание которой дает теория
Большого взрыва. Однако применительно к ранним эпохам, ког-
да Вселенная была молодой, мы можем представить себе космо-
логическую картину, весьма отличную от однородного и из-
отропного расширения, предполагаемого в стандартной модели
Большого взрыва. Расширение могло быть анизотропным: в неко-
тором выделенном направлении могло происходить быстрое
расширение и одновременно в каком-то другом направлении-
сжатие. Возможно также, что Вселенная была в высшей степени
неоднородной; в областях с более высокой плотностью ло-
кальный коллапс мог приводить к образованию черных дыр. Нет
никаких научных аргументов в пользу простой и регулярной мо-
дели Большого взрыва, т. е. против более экзотического начала
расширения Вселенной1. Любая возможность совместима с из-
вестными нам физическими законами, и пока астрономические
1 Здесь и далее, когда автор говорит о «начале Вселенной», имеется в виду
начало расширения Вселенной. О том, что было до этого момента, наука не мо-
жет пока сказать ничего определенного (см. об этом последующие главы
и предисловие редактора перевода).-Прим. ред.
15
наблюдения не позволяют сделать выбор между различными
возможными вариантами.
Несмотря на бесконечный набор возможных начальных мо-
ментов расширения Вселенной, мы можем, опираясь на ан-
тропный космологический принцип, выбрать единственное про-
шлое Вселенной. Этот принцип говорит в пользу модели
Большого взрыва. Если бы Вселенная эволюционировала весьма
нерегулярным образом, вряд ли могли бы появиться мы-свиде-
тели ее существования. Все эти хаотические космологические мо-
дели предсказывают такое развитие Вселенной за достаточно
большое время, которое скорее всего исключает возможность
возникновения жизни. И лишь стандартная модель Большого
взрыва - единственная из множества возможностей - предпола-
гает развитие Вселенной, благоприятствующее эволюции жизни.
Космологи, отрицающие антропный принцип, смирились
с мыслью о происхождении Вселенной из хаоса. Правда, может
оказаться, что для подавления жизни в хаотических вселенных
понадобится вечность, так что эту угрозу можно считать чисто
теоретической. Космологи, придерживающиеся антропного прин-
ципа, однако, отдают предпочтение вселенной, которая с самого
начала и вечно остается простой. Выбор между однородной
и хаотической ранней вселенной, между открытой и закрытой
моделями-вот главные, еще не решенные проблемы современ-
ной космологии.
БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ
Теория Большого взрыва рисует грандиозную картину космиче-
ской эволюции. Около 20 млрд, лет назад началось космологиче-
ское расширение. Условия в этот начальный момент и до него
остаются предметом чисто умозрительных рассуждений, и, как
правило, теория ими не занимается, хотя в последующих главах
мы столкнемся с подобными вопросами. Ранняя вселенная была
очень горячей, очень плотной и, возможно, очень нерегулярной.
Нерегулярность и анизотропия постепенно исчезали. В течение
считанных минут после Большого взрыва протекали некоторые
ядерные реакции; по существу весь гелий во Вселенной синтези-
ровался в то время. По мере расширения Вселенная охлаждалась
примерно так же, как, расширяясь, охлаждается горячий воздух.
Космическое фоновое излучение-это след, оставшийся от ранней
эры, его образно окрестили реликтовым излучением первичного
огненного шара. Согласно одному сценарию эволюции Вселен-
ной, по мере того как вещество во Вселенной остывало, оно кон-
денсировалось в галактики. Галактики фрагментировали (разби-
вались) на звезды и собирались вместе, образуя большие
скопления, охватывающие огромные области пространства.
В процессе рождения и умирания первых поколений звезд посте-
пенно синтезировались тяжелые элементы, такие, как углерод,
16
кислород, кремний и железо. Когда звезды превращались
в красные гиганты, они выбрасывали наружу вещество, которое
конденсировалось в пылевых структурах. Из газово-пылевых
облаков образовывались новые звезды. По крайней мере в одной
из таких протозвездных туманностей холодное пылевое облако
сжалось в тонкий диск вокруг звезды. Сталкиваясь, частицы пы-
ли слипались одна с другой, собирались в более крупные тела,
которые увеличивались в размере под действием собственного
гравитационного притяжения; так возникло многообразие кос-
мических тел-от крошечных астероидов до гигантских планет,
составляющих нашу Солнечную систему.
Теория Большого взрыва показывает нам эволюцию Вселен-
ной в целом, от первых микросекунд после ее возникновения до
образования Земли и развития жизни и дальше-может быть,
в бесконечное будущее. Прежде чем заняться подробным изуче-
нием этой эволюции, рассмотрим (гл. 2) исторические истоки
космологии как науки.
У ИСТОКОВ СОВРЕМЕННОЙ
КОСМОЛОГИИ1
Нет никакого конца ни с одной стороны у Вселенной,
Ибо иначе края непременно она бы имела;
Края же не может иметь, очевидно, ничто, если
только
Вне его нет ничего, что его отделяет, чтоб видно
Было, доколе следить за ним наши чувства способны.
Если ж должны мы признать, что нет ничего за
Вселенной:
Нет и краев у нее, и нет ни конца, ни предела.
И безразлично, в какой ты находишься части
Вселенной:
Где бы ты ни был, везде с того места, что ты
занимаешь,
Все бесконечной она остается во всех направленьях.2
Лукреций
Истоки космологии неизвестны, но мы можем представить себе,
как древние люди наблюдали звездное небо и задавались неиз-
бежными вопросами: какова природа небесных тел? почему они
не падают? движется ли Земля? Можно различить два типа отве-
тов на эти ранние космологические вопросы. Мифологические
ответы прослеживаются в древнейших рукописях времен вави-
лонской, египетской, греческой, индийской и китайской цивилиза-
ций. Лишь в редких случаях древние мифологические «космоло-
ги» могли хоть сколько-нибудь приблизиться к истине, но все их
представления обычно отличались косностью и догматизмом.
Научный подход в космологии легко отличим от мистической
или религиозной точки зрения: наука пытается объяснить Все-
ленную на основе тех явлений, которые можно наблюдать и из-
мерять. Наш исторический обзор мы начнем с рассказа о том
поразительно резком переходе от мифологии к рождению науч-
ного знания, который произошел в середине VI в. до н. э. на по-
бережье Малой Азии. Глубокие представления о мироздании,
господствующие долгое время, были рождены размышлениями
греческих философов, которые предприняли первые примитивные
попытки объяснить наблюдаемые явления, исходя из есте-
ственных причин. Конечно, многие соображения древних греков
1 Об эволюции представлений о строении Вселенной можно прочитать, на-
пример, в книге Гурева «Системы мира». Прим. ред.
2 Лукреций Т. О природе вещей.-М.: изд-во АН СССР, 1946 (пер. Ф.А. Пе-
тровского).- Прим. ред.
18
могут показаться нам наивными, но их основополагающие идеи
оказали огромное влияние на последующее развитие космоло-
гии.
Рассмотрим, например, философию Эпикура, утверждавшего,
что вначале Вселенная пребывала в непрерывно меняющемся со-
стоянии первичного хаоса, из которого в конце концов смог раз-
виться порядок. Принципиальным противником такой точки зре-
ния был Аристотель. Он считал, что за пределами Земли
в неизменной по своим свойствам Вселенной царит идеальный
порядок. Эта тема дуалистического противопоставления хаоса
и порядка веками находила свое отражение в теориях о происхо-
ждении Солнечной системы; эта же тема играет важную роль
в наших сегодняшних представлениях о ранней Вселенной.
Представления древних о природе небесных тел и их движе-
ниях были необычайно многообразны. Некоторые из великих
мыслителей древности проявили поистине потрясающее предви-
дение, выдвигая, пусть в зачаточной форме, такие концепции, как
атомное строение вещества, действие на расстоянии, звездная
структура Млечного Пути. И хотя эти идеи были затеряны среди
множества заблуждений и через тысячи лет были открыты зано-
во, мы тем не менее должны искать истоки космологии в частич-
но уцелевших рукописях первых исследователей природы, и пре-
жде всего в самом духе научного поиска, зерно которого они
впервые заронили.
КОРИФЕИ
КЛАССИЧЕСКОЙ КОСМОЛОГИИ
Естественно, что первые шаги космологии были ограничены при-
митивным уровнем астрономии того времени. Первые космоло-
ги обращали все свое внимание на звезды, Солнце, Землю, Луну
и пять известных в то время планет. Самая ранняя, не утратив-
шая своего значения и поныне проба сил в научной космологии,
вероятно, принадлежит Пифагору, который учил, что Земля
имеет форму шара и вращается вокруг своей оси. Идеи Пифаго-
ра радикально расходились с господствовавшим тогда предста-
влением о том, что Земля является плоской. В основу своих
представлений Пифагор положил аналогию между строением
музыкальной гаммы, выражаемым с помощью рациональных чи-
сел, и небесной гармонией движений планет. Возможно, самый
важный вклад, который Пифагор внес в космологию,-это мысль
о том, что движения небесных тел подчиняются определенным
количественным законам.
Пифагор полагал, что целые числа, главным образом те, ко-
торые характеризуют отношения длин струн лиры, могут объяс-
нить устройство планет, Луны и Солнца. Все эти тела, считал
Пифагор, а также Земля вращаются вокруг гипотетического цен-
трального огня (не Солнца) по концентрическим сферам, про-
19
Юпитер Солнце Меркурий Луна Центральный
огонь
Рис. 1. Вселенная по Пифагору
Солнце, Луна, звезды и планеты обращаются по концентрическим сферам во-
круг центрального огня. «Неподвижные» звезды образуют внешнюю сферу.
странство между которыми заполнено воздухом (рис. 1). Движе-
ние небесных тел создает гармонию сфер, которую, как
утверждали последователи Пифагора, был способен слышать
только их великий учитель. Пифагор выдвинул революционную
идею о том, что Земля движется и не является центром Вселен-
ной. Пифагорейцы проложили путь гелиоцентрической космоло-
гии. Однако, хотя их философия продержалась несколько столе-
тий, подчеркивание небесной гармонии, основанной на музыкаль-
ной гамме, привело к застою этой философии, и в конце концов
она была отброшена.
В течение IV в. до н. э. прочно утвердилась концепция универ-
сального принципа, позволяющего объяснить наблюдаемую Все-
ленную; основанная на идеях Платона и Аристотеля, она господ-
ствовала в науке на протяжении более девятнадцати столетий.
Платон полагал, что окружность, не имеющая ни начала, ни кон-
ца, есть совершенная геометрическая фигура и поэтому движения
небесных тел должны происходить по окружностям, ибо Вселен-
ная создана совершенным существом - богом. Земля, как и сама
Вселенная, тоже должна быть сферической - «однородной и глад-
кой и всюду одинаково удаленной от центра, телом цельным
20
и совершенным». Платон отстаивал идею о повседневном враще-
нии небес вокруг неподвижной Земли. Планеты движутся по кру-
говым орбитам с различными скоростями, при этом Венера
и Меркурий движутся с запада на восток, а остальные небесные
тела - в том же направлении, что и Солнце. Платон мало интере-
совался деталями небесных движений; он, например, не заметил,
что направленные на запад видимые движения Меркурия и Ве-
неры наблюдаются лишь в некоторой части их орбит (когда пла-
неты наиболее ярки). Главный вклад Платона в классическую
космологию заключается в распространении идеи Пифагора
о сферичности Земли и круговых движениях планет.
На самом деле видимые движения планет были намного
сложнее, чем это давала простая схема Платона. Внешние пла-
неты двигались в основном с востока на запад, но время от
времени они, казалось, двигались вспять. Эти обратные движе-
ния легко объяснить, если считать Солнце расположенным в цен-
тре (рис. 2), но мысль о гелиоцентрической Вселенной была чу-
жда древним космологам. В конце концов у них не было особых
оснований думать, что звезды сияют столь же ярко, как Солнце.
Кроме того, в такой гелиоцентрической Вселенной следовало бы
ожидать изменения относительных положений звезд в течение
года-по мере того, как Земля движется вокруг Солнца; но этого
уж явно не происходило. Конечно, сегодня все это уже не пред-
ставляется каким-либо парадоксом: мы знаем, что звезды кажут-
ся слабыми и неподвижными относительно друг друга по причи-
не своей невообразимой удаленности.
Первую серьезную попытку объяснить нерегулярности движе-
ния планет и Луны предпринял Евдокс, младший современник
Платона. Работы Евдокса положили начало истинно научной
астрономии - отныне никакие философские размышления, не под-
крепленные наблюдениями, уже не будут играть существенной
роли в астрономии. В остроумной схеме Евдокса круговая орби-
та каждой из планет фиксирована на сфере, которая может вра-
щаться. Каждая сфера, несущая свою планету, прикреплена в по-
люсах к следующей концентрической сфере, которая вращается
вокруг другой оси. Эта сфера в свою очередь, если это необходи-
мо, могла быть прикреплена к третьей сфере. Таким образом, ка-
ждая планетная сфера была связана с несколькими непланетны-
ми сферами и путь планеты, видимый с Земли, мог бы быть
существенно более сложным, чем это допускается простой круго-
вой орбитой. Вводя достаточное число концентрических вращаю-
щихся сфер (всего их было тридцать три), каждая из которых
одновременно вращается вокруг независимой оси, Евдокс мог
объяснить видимые движения планет в пределах достигнутой
тогда точности.
Аристотель - последний из великих представителей умозри-
тельной философии, внесших вклад в классическую космоло-
21
Рис. 2. Обратные движения планет
Временами кажется, что некоторые планеты движутся в обратном направлении.
Это объясняется тем, что Земля обращается вокруг Солнца быстрее, чем пла-
неты, более далекие от него. Земля успевает пройти половину своей орбиты (за
полгода), тогда как Марс проходит немногим больше четверти своей орбиты (за
четверть марсианского года). Поэтому, когда Марс виден с Земли в положениях
1-7, создается впечатление, что временами Марс движется вспять.
гию,-претендовал на построение действительной физической мо-
дели Вселенной. Он разработал схему, в которой концентриче-
ские сферы Евдокса могли фактически вращаться так же, как
в теории. Каждую непланетную сферу Евдокса Аристотель окру-
жил дополнительной сферой. Благодаря этому сфера оказалась
продолженной вдоль своей оси вращения и соединялась с двумя
прилегающими сферами. Теперь Земля, расположенная в центре,
была окружена девятью концентрическими прозрачными сфера-
ми, на каждой из которых размещались Луна, Меркурий, Венера,
Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн и звезды. Чтобы такая сложная
конструкция, представляющая космологию Аристотеля, действо-
вала, в нее потребовалось ввести пятьдесят пять сфер. Согласно
Аристотелю, внешняя сфера, как ее сотворил бог, была непо-
движна, а внутренние сферы бог заставил вращаться. Человек
был удален от бога, и ему была отведена внутренняя область,
преходящая и несовершенная,-все остальное, лежащее за преде-
лами сферы Луны, считалось совершенным, вечным и неиз-
менным. Такие временные небесные явления, как метеоры и ко-
меты, имели земное происхождение и увлекались вращением
верхней атмосферы.
Один гениальный древний грек даже утверждал, что планеты,
включая Землю, движутся по круговым орбитам вокруг Солнца.
Это был Аристарх. Около 280 г. до н. э. он высказал идею, во
всех отношениях более простую, чем представления Аристотеля,
но остальные философы не пожелали принять столь радикаль-
ную идею. По-видимому, Аристарх так и не сумел использовать
возможность, заложенную в его гелиоцентрической концепции,
для упрощения теории движения планет, и по мере того, как об-
наруживали все больше нерегулярностей в движении планет, схе-
ма Аристарха была окончательно забыта. На протяжении более
восемнадцати веков к этой концепции не возвращались.
Однако теория Аристотеля не могла объяснить изменения ви-
димой яркости планет. Очевидное объяснение этому заключа-
лось в том, что планеты то приближаются к Земле, то удаляются
от нее, а не остаются на сфере неизменного радиуса. Подобное
толкование, вероятно, справедливо и для Луны, которая, проходя
между Солнцем и Землей, вызывает солнечные затмения: неко-
торые солнечные затмения оказываются полными, а другие, еже-
годные,-неполными, так как расстояние между Землей и Луной
изменяется.
Спустя пять столетий Птолемей, живший во II в. н. э. в Алек-
сандрии, предложил геоцентрическую космологию, которая всерь-
ез не подвергалась сомнению на протяжении четырнадцати ве-
ков. Целью Птолемея было «показать, что наблюдаемые
небесные явления воспроизводятся неизменными круговыми дви-
жениями». Он представлял, что Солнце движется вокруг Земли
по гигантской окружности (рис. 3). Каждая планета закрепляется
на меньшей окружности, ось которой перпендикулярна указан-
23
Орбита
Рис. 3. Геоцентрическая система мира Птолемея
Каждая планета движется по малой окружности, или эпициклу, центр которого
движется по большой окружности вокруг Земли.
ной выше гигантской окружности. Большая окружность вращает-
ся медленно, меньшие окружности - быстрее, каждая планета со-
вершает в пространстве движение по эпициклу. Гипотеза эпици-
клов была предложена за несколько столетий до Птолемея, но он
существенно усовершенствовал ее. Птолемей смог объяснить как
видимые движения планет на небе, так и изменение расстояний
между планетами и Землей. Для объяснения различных нерегу-
лярностей в наблюдаемых движениях добавлялись новые окруж-
ности; самому Птолемею понадобилось ввести в свою картину
мира 39 эпициклов. (В табл. 1 даны краткие сведения о важней-
ших ранних космологических теориях.)
Считалось, что система эпициклов-это геометрическая мо-
дель небесных движений, которая дает правильное физическое
описание Вселенной. Сама по себе эта модель была чрезвычайно
удачна. Хотя «хрустальные сферы» в схеме Аристотеля, как пред-
полагалось, приближенно описывают истинное строение мира,
система Аристотеля оказалась теперь недейственной. В знаниях
24
обнаружился явный пробел, который стремились заполнить тео-
логи. Отцы церкви настаивали на буквальном толковании би-
блейских событий, и Землю снова стали считать плоской. Наше-
ствия варваров в VI в. опустошили Римскую империю, и плоды
Таблица 1
ВЕЛИКИЕ КОСМОЛОГИ ДРЕВНОСТИ
Имя	Годы жизни	Картина мира
Пифагор	около 580-500 до н. э.	Сферическая вращающаяся Земля об- ращается вокруг центрального огня
Платон	427-347 до н.э.	Планеты по круговым орбитам обра- щаются вокруг неподвижной Земли
Евдокс	406-355 до н.э.	Модель движений небесных тел с 33 концентрическими сферами, вращаю- щимися вокруг неподвижной Земли
Аристотель	384-322 до н.э.	Детально разработанная модель с 55 концентрическими сферами; неизмен- ность небес
Аристарх	ок. 320-250 до н.э.	Гелиоцентрическая система - вращаю- щиеся Земля и планеты обращаются вокруг расположенного в центре Солнца
Птолемей	ок. 90-160 н.э.	Геоцентрическая система; теория эпи- циклов
греческого просвещения были уничтожены. Наступила долгая
темная ночь средневековья, и развитие науки приостановилось не
менее чем на тысячу лет.
ВОЗРОЖДЕНИЕ КОСМОЛОГИИ
Лишь в XIII в. Западная Европа наконец начала знакомиться
с работами Аристотеля, уцелевшими в арабских переводах. В те-
чение двух последующих столетий система Птолемея стала ши-
роко известна, и ее даже систематически усовершенствовали, вво-
дя дополнительные эпициклы. Как только произведения грече-
ских астрономов и космологов оказались доступными, стало
неизбежным развитие новой, более совершенной теории. Некогда
ученые мужи размышляли о возможности движения Земли, и эта
идея натолкнула Коперника на мысль: нельзя ли, допустив дви-
жение Земли, упростить систему Птолемея?
Коперник смог показать, что, допустив движение планет во-
круг Солнца и движение Луны по орбите вокруг вращающейся
Земли-которая уже более не считалась центром Вселенной,—
25
Рис. 4. Николай Коперник (1473-1543)
Портрет Коперника в студенческие
годы.
можно гораздо проще и изящнее объяснить наблюдаемые дви-
жения планет. Коперник не сумел полностью преодолеть пред-
рассудки своего времени и сохранил в своей модели идею
круговых орбит, поместив Солнце в центр земной орбиты
(рис. 5). Исходя из представления о круговых орбитах, Коперник
был вынужден сохранить некоторые из эпициклов Птолемея.
Тем не менее гелиоцентрическая система Коперника объясняла
наиболее очевидные особенности в движении планет, и после
опубликования в 1543 г. работы Коперника она получила широ-
кое признание.
Следующий важный шаг был сделан благодаря многочис-
ленным новым наблюдениям планет, выполненным датским
астрономом Тихо Браге. Хотя Тихо не принимал систему Копер-
ника, результаты его наблюдений легли в основу работы его по-
мощника, Иоганна Кеплера. Основной вклад Тихо Браге в кос-
мологию заключался в следующем: он показал, что кометы
гораздо более удалены, чем Луна, и имеют весьма вытянутые
орбиты. Это открытие сильно пошатнуло представление Аристо-
теля о неподвижных, неизменных и твердых небесных сферах.
Точные астрономические наблюдения, результаты которых
оставил после себя Тихо, привели Кеплера к открытию, что на
самом деле планеты движутся по эллиптическим орбитам и
в одном из фокусов каждого эллипса находится Солнце. Более
того, он предположил, что планеты, приближаясь к Солнцу, дви-
жутся быстрее, а удаляясь от него, замедляют свое движение. Ке-
плер показал, что это изменение скорости таково, что вообра-
жаемая линия, соединяющая планету с Солнцем, описывает за
одинаковое время одинаковые площади внутри эллипса. В окон-
26
Рис. 5. Гелиоцентрическая система Коперника
На этом рисунке, взятом из оригинальной рукописи Коперника, Солнце помеще-
но в центр Вселенной.
Рис. 6. Фазы Венеры
Галилей указал, что различные фазы Венеры можно объяснить движением Ве-
неры вокруг Солнца.
нательном виде великое достижение Кеплера, кратко сформули-
рованное в его третьем законе движения планет, сводилось
к утверждению: квадрат периода обращения по орбите каждой
планеты пропорционален кубу ее среднего расстояния от Солнца.
Кеплер оставался под сильным влиянием древних мистиче-
ских представлений. Так, он был искренне убежден, что пять пра-
вильных геометрических тел дают ключ к пониманию орбит пла-
нет. Эти пять тел, которые единственно можно построить из
прямых линий, соблюдая идеальную симметрию, включают куб,
четырехгранник (тетраэдр), восьмигранник (октаэдр), двенадцати-
гранник (додекаэдр) и двадцатигранник (икосаэдр). Пять пра-
вильных геометрических тел следовало отождествлять с пятью
областями пространства между шестью известными планетами.
Кеплер поместил Солнце в центр, планеты двигались по каждой
из шести концентрических сфер, которые были размещены сим-
метричным образом внутри и снаружи каждого правильного гео-
метрического тела. Чтобы объяснить эллиптичность планетных
орбит, которые он вывел из наблюдений Тихо, Кеплер придал
каждой сфере конечную толщину. Нельзя не подивиться твердо-
сти, с которой Кеплер придерживался мистических представле-
ний, что тем не менее привело его к открытию закона движения
планет. Он окончательно избавил исследователей от необходи-
мости вводить эпицикл для объяснения строения Солнечной
системы.
На этом этапе гелиоцентрическая теория рассматривалась
28
Рис. 7. Исаак Ньютон (1642-1726)
лишь как рабочая модель: Земля по-прежнему оставалась цен-
тром физической Вселенной. Однако в течение XVII в. гелиоцен-
трической системе суждено было достичь полного признания.
Это величайшее достижение науки связано с именем Галилея, ко-
торый первым ввел методы систематических наблюдений и экс-
перимента. С помощью нового инструмента - телескопа он обна-
ружил четыре больших спутника Юпитера, что позволило
провести аналогию между системой Земля-Луна и другими не-
бесными телами. Благодаря открытию фаз Венеры было показа-
но, что Венера обращается вокруг Солнца (рис. 6), а открытие
солнечных пятен помогло окончательно опровергнуть доктрину
Аристотеля о неизменности небес. Тот факт, что звезды, когда на
них смотришь в телескоп, оставались неразрешенными (т. е. не
разделяющимися на более мелкие структуры) светящимися точ-
ками, укрепил представление о чрезвычайной удаленности звезд.
Галилей не внес значительного вклада в собственно космологи-
ческую теорию, но его открытия проложили путь другим.
Исаак Ньютон, родившийся в 1642 г-год смерти Галилея,—
столь глубоко проник в сущность движения планет, что это по-
зволило космологии стать поистине настоящей наукой. Больше
не существовало таинственной силы, приводящей в движение не-
бесные тела. Анализируя силу, необходимую для удержания
Луны на орбите вокруг Земли, Ньютон показал, что гравита-
ционная сила притяжения между двумя телами обратно пропор-
циональна квадрату расстояния между ними и прямо пропорцио-
нальна их массам. И сила, действующая на яблоко, которое
падает на Землю, и сила, удерживающая Луну на ее орбите, под-
чиняются этому закону. Гравитационную силу, действующую ме-
29
жду двумя телами, можно вычислить, полагая, что вся масса ка-
ждого из тел сосредоточена в центральной точке. Чтобы
доказать это, Ньютону пришлось создать совершенно новую от-
расль математики: дифференциальное и интегральное исчисле-
ния. Обобщив представление о гравитационной силе, Ньютон не
только математически обосновал кеплеровские законы движения
планет, но и указал природу взаимодействия между любыми
двумя частицами во Вселенной.
Таблица 2
ПИОНЕРЫ СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ
Имя	Годы жизни	Вклад в развитие космологии
Николай Коперник	1473-1543	Создание гелиоцентрической системы мира
Тихо Браге	1546-1601	Точные астрономические наблюдения
Иоганн Кеплер	1571-1630	Открытие законов движения планет
Галилео Галилей	1564-1642	Открытие спутников Юпитера, сол- нечных пятен, фаз Венеры
Исаак Ньютон	1643-1727	Открытие законов всемирного тяго- тения, создание теории движения небес- ных тел
Уильям Гершель	1738-1822	Наблюдение туманностей, открытие планеты Уран
Универсальность закона всемирного тяготения Ньютона бы-
ла убедительно продемонстрирована английским астрономом
Уильямом Гершелем, который обнаружил, что двойные звезды,
обращающиеся одна вокруг другой, подчиняются тому же зако-
ну гравитации, что и планеты Солнечной системы. Гершель при-
обрел известность прежде всего благодаря открытию планеты
Уран, но космология сделала огромный шаг вперед, когда Гер-
шель обнаружил в телескоп туманные светящиеся пятна, так на-
зываемые туманности. Других астрономов, таких, как Шарль
Мессье, туманности мало интересовали, затрудняя лишь поиск
комет. Однако Гершель считал эти туманности «островными
вселенными». О таких туманностях размышляли и раньше,
в частности Томас Райт, Иммануил Кант, но наблюдения Герше-
ля положили начало внегалактической астрономии как независи-
мой области астрономии. Гершель доказывал, что Млечный
Путь является изолированной дискообразной островной вселен-
ной, в центре которой расположено Солнце. Он полагал, что все
«млечные туманности», если понаблюдать их в телескоп с доста-
точно хорошим разрешением, окажутся состоящими из от-
дельных звезд, и причислял к островным вселенным, состоящим
30
из звезд, все без исключения газовые туманности, такие, как пла-
нетарные туманности и остатки сверхновых. Несмотря на эти за-
блуждения, Гершель, считая, что Млечный Путь по структуре
и абсолютному масштабу, по-видимому, подобен другим слабым
туманностям, сделал тем самым значительный шаг на пути по-
нимания истинного места Земли во Вселенной (в табл. 2 перечис-
лены имена и отмечен вклад пионеров современной космологии).
Гершель сумел разрешить на отдельные звезды шаровые
звездные скопления, но, чтобы обнаружить (1850 г.) спиральную
структуру ближайших галактик, понадобился 72-дюймовый
(183 см) рефлектор графа Россе. Однако природа спиральных ту-
манностей оставалась источником умозрительных рассуждений
вплоть до 1924 г., когда удалось разрешить на отдельные звезды
самую известную из наших внегалактических соседей-туман-
ность Андромеды.
ПРОБЛЕМЫ
СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ
После открытия Гершелем туманностей одной из самых на-
сущных проблем космологии стала проблема шкалы расстояний.
Действительно ли эти объекты являются островными вселенны-
ми, сравнимыми по своим размерам с Млечным Путем? Или же
они всего лишь спутники нашей Галактики. Эта проблема была
решена в 1920-х годах в работе американского астронома Эдви-
на Хаббла. Хаббл выделил в туманностях определенные типы
переменных звезд, которые казались идентичными другим отно-
сительно близким звездам. Зная расстояние до соседних звезд, он
смог рассчитать расстояние до туманностей. Воспользовавшись
этим ключом, Хаббл открыл то, что он весьма удачно назвал
«миром туманностей». Теперь мы знаем, что хаббловская шкала
расстояний была неверна. По оценкам Хаббла расстояния между
галактиками были в 10 раз меньше, чем показывают совре-
менные измерения. Вплоть до середины XX в. эта ошибка оста-
валась неисправленной, порождая споры о возрасте Вселенной;
теперь это представляет в основном лишь исторический инте-
рес1.
Еще до работы Хаббла астрономы обнаружили, что туманно-
сти систематически удаляются от Млечного Пути, но считали,
что это, вероятнее всего, локальный эффект. Новая калибровка
шкалы расстояний, проведенная Хабблом, указывала на то, что
Вселенная расширяется и расширение началось около 2 млрд,
лет назад. Было известно, что возраст Земли превышает 4 млрд,
лет, и это противоречие вызывало широкие дискуссии. Одним из
побочных результатов этой оживленной дискуссии явилась тео-
1 Об истории установления шкалы расстояний до галактик подробно рас-
сказывается в книге Ю. Н. Ефремова «В глубинах Вселенной».-Ярим. ред.
31
рия стационарной вселенной, согласно которой начала расшире-
ния не было и Вселенная бесконечна во времени. Удаление галак-
тик, следовавшее из спектроскопических данных, пытались также
объяснить, привлекая идею о том, что свет от этих галактик,
проходя через необозримые пространства, подвергается такому
систематическому воздействию, что в результате нам кажется,
будто бы галактики удаляются.
После современного пересмотра шкала расстояний уже не
вступает в противоречие с космологической временной шкалой,
поэтому теперь полностью отпала необходимость в описанных
выше альтернативных космологических теориях. Самое простое
объяснение астрономических данных дает теория Большого
взрыва. Но оставалось еще много нерешенный проблем. На-
чальный момент времени-сингулярность-необъясним в рамках
современной физики. Ученым еще предстоит построить удовле-
творительную теорию образования галактик. Было ли начальное
состояние Вселенной неоднородным и хаотичным или же одно-
родным и упорядоченным? Анизотропно или изотропно расши-
рение? И каково распределение материи: неоднородно или одно-
родно? Одним из самых трудных по-прежнему остается давниш-
ний вопрос: конечна или бесконечна Вселенная? Проследив
эволюцию Вселенной, мы предложим некоторые возможные ре-
шения этих проблем в гл. 18.
И наконец, стоит затронуть еще одну проблему, хотя бы по
той причине, что она всегда разжигала страсти среди космоло-
гов,-проблему космологической постоянной. Альберт Эйнштейн
ввел эту величину в свои уравнения гравитационного поля; кос-
мологическая постоянная эквивалентна силе отталкивания, кото-
рая становится заметной только в очень больших масштабах.
Эта сила отсутствует в ньютоновской теории тяготения. Эйнш-
тейн ввел силу космологического отталкивания, пытаясь по-
строить космологическую модель статической вселенной, в кото-
рой сила отталкивания уравновешена силой гравитационного
притяжения. Когда впоследствии другие космологи построили
модели расширяющейся вселенной, не нуждающиеся в космоло-
гической постоянной, Эйнштейн публично отказался от нее. Тем
не менее уравнение Эйнштейна в наиболее общем виде действи-
тельно содержит член, включающий космологическую постоян-
ную. Учет космологической постоянной допускает более широ-
кий набор космологических моделей, включая и такие, в которых
удается избежать первоначальной сингулярности. Однако космо-
логическая постоянная - всего лишь произвольная добавка, вво-
димая из-за отсутствия какого-либо ньютоновского аналога силе
отталкивания, и космологи до сих пор сомневаются, нужна ли
она или нет. Согласно современной точке зрения, космологиче-
ская постоянная-это дополнительный параметр, который сле-
дует вводить, если только того потребуют астрономические на-
блюдения. Пока же в этом, по-видимому, нет необходимости.
32
КОРИФЕИ
СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ
Эдвин Хаббл был первым крупнейшим современным космоло-
гом-наблюдателем. Однако он не работал в «теоретическом
вакууме». С 1916 г., когда Эйнштейн разработал общую теорию
относительности, пришедшую на смену ньютоновской теории тя-
готения, начался расцвет теоретической космологии. Вслед за по-
явлением общей теории относительности Эйнштейна наступил
период, длившийся около 10 лет, когда было предложено множе-
ство новых моделей Вселенной. И лишь немногие из них выдер-
жали суровую проверку астрономическими наблюдениями.
Первой космологической моделью в рамках новой теории
была модель статической вселенной Эйнштейна, однако жизнь ее
оказалась непродолжительной. Величайшим достижением совре-
менной космологии явилась теория Большого взрыва - модель
расширяющейся Вселенной. Для того времени, когда почти ник-
то не сомневался в статичности и неизменности Вселенной, это
было грандиозным шагом вперед. Фактически модель Большого
взрыва была сформулирована до получения каких-либо надеж-
ных наблюдательных данных, свидетельствующих о расширении
Вселенной. Такое предсказание следует расценивать как один из
самых больших успехов современной физики и теории относи-
тельности. Этим своим успехом наука обязана главным образом
двум, казалось бы далеким от космологии, людям-русскому ме-
теорологу, математику по образованию, Александру Фридману
и бельгийскому священнику аббату Жоржу Леметру.
Фридман (в 1922 г.) и Леметр (в 1927 г.) независимо друг от
друга нашли простейшее семейство решений уравнений гравита-
ционного поля Эйнштейна, описывающих расширяющуюся все-
ленную1. Таким образом, их по праву можно считать творцами
теории Большого взрыва. Гениальное прозрение помогло им
преодолеть представление о статической вселенной, сторонником
которой был Эйнштейн. Следуя Эйнштейну, они воспользова-
лись космологическим принципом, утверждавшим однородность
и изотропность Вселенной, но они смело сделали тот шаг, на ко-
торый не отважился Эйнштейн,-выдвинули идею о возможности
расширения Вселенной. Это привело к существенному упроще-
нию уравнений Эйнштейна для гравитационного поля и позволи-
ло получить из этих уравнений космологическую модель.
Общая теория относительности Эйнштейна является обоще-
нием наших представлений об окружающем пространстве. При-
1 Теоретические открытия Фридмана были сделаны на пять лет раньше ра-
бот Леметра. Работы Фридмана были опубликованы в широко читаемом зару-
бежном журнале, их признавал Эйнштейн, поэтому ни о какой «независимости»
их открытий не может быть и речи. Современная космология была создана
А. А. Фридманом.- Прим. ред.
2-896
33
Рис. 8. Александр Фридман (1888-1925)
Рис. 9. Жорж Леметр (1894-1966)
сутствие материи создает кривизну пространства, которая экви-
валентна действию сил гравитации. В искривленном простран-
стве уже не справедлива евклидова геометрия. Параллельные
линии перестают быть параллельными, и длина окружности те-
перь уже не равна произведению 2л на радиус. Однако, пока гра-
витационное поле не слишком сильно, отклонения от евклидовой
геометрии чрезвычайно малы. Обычно кривизна пространства
существенна в двух случаях. Вблизи черной дыры, т. е. сколлапси-
ровавшей звезды, очень сильное гравитационное поле может
вызвать сильную искривленность пространства. Кроме того, кри-
визна пространства становится ощутимой при тех огромных рас-
стояниях, которые свет проходит в межгалактическом простран-
стве.
Было обнаружено, что уравнения Эйнштейна для гравита-
ционного поля применительно к космологии имеют по крайней
мере три различных решения, каждое из которых характеризует-
ся своей кривизной пространства. Существуют три вида моделей
вселенной Фридмана-Леметра: в одной параллельные линии
расходятся, во второй они сходятся и, наконец, в третьей парал-
лельные линии остаются параллельными. Эти пространства фи-
зически различны в том смысле, что, прежде чем объект мог
быть перемещен из пространства одного вида в другое, его сле-
довало бы сильно деформировать, растягивая или сжимая.
В 1932 г. Эйнштейн и голландский астроном Виллем де Ситтер
разработали модель расширяющейся вселенной, в которой про-
34
странственная геометрия напоминала геометрию обычного ев-
клидова пространства.
В 1929 г., когда Хаббл сообщил о своем открытии простого
закона, описывающего разбегание туманностей, он и не подозре-
вал о существовании космологических моделей расширяющейся
вселенной, созданных Фридманом и Леметром. Однако одна кос-
мологическая модель, безусловно оказавшая влияние на Хаббла,
была построена еще в 1917 г. де Ситтером. Согласно этой моде-
ли, Вселенной была присуща такая особенность: свет от наибо-
лее удаленных областей смещается к красному концу спектра по
мере увеличения расстояния до них. В последующее десятилетие
эта модель, которая в принципе противоречила статической все-
ленной Эйнштейна, постепенно становилась все более известной
Рис. 10.
Виллем де Ситтер (1872-1935)
Рис. 11.
Альберт Эйнштейн (1879-1955)
2*
35
среди астрономов, однако не было сделано ни одной попытки
связать предсказываемое ею красное смещение с каким-либо сис-
тематическим движением. Затем в 1928 г. американский космолог
Говард Перси Робертсон с помощью несложного, но остроумно-
го математического преобразования показал, что вселенная де
Ситтера может быть преобразована в расширяющуюся вселен-
ную. К сожалению, в результате преобразования Робертсона по-
лучалась «пустая вселенная», лишенная вещества, и эта особен-
ность решения Робертсона делала его модель мало применимой
к.реальной Вселенной. Робертсон отметил, что действительно су-
ществует систематическая зависимость между скоростью расши-
рения и расстоянием, причем именно такая, которую установил
в следующем году Хаббл. Но этот результат бледнеет по сравне-
нию с более ранними и блестящими работами Фридмана и Де-
метра. Однако вполне возможно, что работа Робертсона оказала
сильное влияние на результат Хаббла.
Открытая и закрытая модели Фридмана-Деметра, обладаю-
щие пространственной кривизной, и плоская модель Эйнштей-
на-де Ситтера составили ядро теории Большого взрыва. Если
пока оставить в стороне космологическую силу отталкивания, то,
согласно каждой из этих моделей, Вселенная расширяется от
произвольно малого объема до современного масштаба. Смена
расширения сжатием происходит лишь в закрытой модели,
остальные модели предсказывают неограниченное расширение.
Какая из названных моделей дает наилучшее описание Вселен-
ной-это по-прежнему остается одной из главных проблем совре-
менной космологии.
3
НАБЛЮДАТЕЛЬНАЯ
КОСМОЛОГИЯ
Мы обнаруживаем в непрерывно возрастающем числе
все более мелкие и слабые из них и знаем, что так все
дальше и дальше мы проникаем в пространство, пока,
обнаружив слабейшую из туманностей, которую еще
можно увидеть в самый большой телескоп, мы не по-
дойдем к границам известной Вселенной.
Эдвин Хаббл
После того как Гершель высказал догадку, что туманности мо-
гут быть «островными вселенными», состоящими из звезд, кос-
мология из чисто умозрительной науки превратилась в наблюда-
тельную. Столетие спустя после смерти Гершеля были, наконец,
установлены расстояния до спиральных туманностей, и тогда
стало очевидным, что туманности-это галактики, сравнимые по
размеру с нашей Галактикой - Млечным Путем.
Оценить расстояния до удаленных галактик оказалось непро-
стой задачей. Чтобы представить себе гигантские масштабы рас-
стояний, о которых идет речь, познакомимся сначала с метода-
ми, которые применялись для определения расстояний до планет
и звезд. Для понимания этих методов мы прежде всего должны
четко представлять, как определяет расстояние человеческий
глаз.
Понаблюдайте за большим пальцем вашей вытянутой руки,
попеременно закрывая то один, то другой глаз. Вам будет ка-
заться, что положение пальца изменяется относительно какого-
либо предмета на заднем плане. Наблюдаемое угловое смещение
приблизительно равно толщине трех больших пальцев на рас-
стоянии вытянутой руки. Один большой палец на расстоянии вы-
тянутой руки виден под углом примерно Г-это приблизительно
в два раза больше, чем наблюдаемая угловая протяженность
Солнца и Луны. Видимое угловое смещение большого пальца со-
ставляет 3°, и простые геометрические соображения говорят
о том, что расстояние до большого пальца D приблизительно
в 20 раз больше базисного расстояния L между левым и правым
глазом. Другими словами, D равно L, деленному на угловое сме-
щение, если при этом мы выражаем угловое смещение в долях
угла, охватывающего часть окружности, длина которой равна ра-
диусу этой окружности. Эту угловую единицу называют радиа-
ном, 360° точно соответствуют 2п радианам и 1 радиан равен
57,3°.
37
Рис. 12. Параллакс планеты
Две обсерватории на Земле могут измерить расстояние до Марса методом
триангуляции, или параллакса. Расстояние определяется как частное от деления
расстояния между обсерваториями на угловой параллакс Р, выраженный
в радианах.
Видимое угловое смещение, которое позволяет нам оценивать
расстояния, называется параллаксом [I]1 *. Подобное явление, ве-
роятно, использовали древние геодезисты для измерений высоты
гор, проводившихся с существенно большими длинами базы.
Еще более широко метод параллакса издавна применялся для
определения расстояний до планет (рис. 12). Такие наблюдения
проводятся двумя обсерваториями, которые удалены друг от
друга, скажем, на 10000 км, при этом измеряются видимые сме-
щения намного меньше 1°, поскольку видимый размер планеты
крайне мал. Видимые размеры ближайших планет составляют
несколько угловых секунд в диаметре, а измеряемая величина па-
раллакса планет бывает меньше угловой секунды. Угловая секун-
да (1") составляет 1/60 угловой минуты (Г), а угловая минута
равна 1/60 градуса. Таким образом, 1" равна 1/200000 радиана,
и астрономы могут легко измерять расстояния вплоть до рас-
стояний, в 200 000 раз превышающих длину базы, равную
10000км, т.е. расстояния в 2-Ю9 км. Расстояние между Землей
и Солнцем составляет в среднем 150 млн. км, а внешние планеты
Солнечной системы расположены в 40 раз дальше. Следователь-
но, метод параллакса пригоден для определения расстояний до
всех планет Солнечной системы. Но на практике для определе-
ния расстояний обычно пользуются более точными методами,
в частности методами радиолокации.
1 Сноски, указанные в квадратных скобках, относятся к математическому
приложению, приведенному в конце книги.
38
Рис. 13. Параллакс ближайшей звезды
Ближайшая к нам звезда наблюдается с интервалом 6 месяцев. Видимое смеще-
ние положения звезды из точки А в точку В (за время от января до июля) дает
параллакс звезды. Расстояние до звезды определяется как средний радиус зем-
ной орбиты, деленный на угловой параллакс. Звезда а Центавра имеет парал-
лакс 0,75", и расстояние до нее составляет 1,3 пс (или 4 световых года).
В 1838 г. метод, подобный описанному, был остроумно рас-
ширен и применен для определения расстояния до ближайшей
звезды. В качестве базы вместо земных расстояний ученые во-
спользовались орбитой, по которой Земля обращается вокруг
39
Солнца (рис. 13). Измерения положения звезды проводились
дважды с интервалом 6 месяцев, был обнаружен параллакс чуть
больше 1". Здесь мы имеем дело с базой длиной 3 • 108 км и по-
лучаем, что звезда удалена от нас на расстояние 4 • 1013 км, или
4-1018 см. Свету понадобилось бы 4 года, чтобы пройти путь от
этой ближайшей звезды до Земли. Расстояния, с которыми при-
ходится иметь дело в астрономии, настолько велики, что часто
в качестве единицы расстояния используют световой год. Дей-
ствительно, а Центавра, наша ближайшая звездная соседка, уда-
лена от нас на 4 световых года. Иногда для измерения расстоя-
ний в астрономии более удобной оказывается единица, основан-
ная на измерении самого параллакса: так, говорят, что звезда,
параллакс которой составляет угловую секунду, удалена на рас-
стояние в 1 парсек (сокращение от параллакс в угловую секунду).
Один парсек (пс) приблизительно равен 3 световым годам.
ВНЕГАЛАКТИЧЕСКАЯ ШКАЛА
РАССТОЯНИЙ
Метод простого тригонометрического параллакса перестает ра-
ботать для расстояний, превышающих примерно 30 пс, или 100
световых лет, поскольку в этом случае угловые смещения стано-
вятся настолько малыми, что их не удается точно измерить. Од-
нако существуют другие методы, позволяющие расширить изме-
ряемую шкалу расстояний. Солнце движется в пространстве
относительно ближайших звезд со скоростью около 20 км/с.
Сравнение фотографий, полученных в течение многих лет, позво-
ляет обнаруживать малые смещения в положениях этих звезд,
обусловленные изменением нашего положения относительно них.
Поскольку многие звезды в одной и той же области простран-
ства будут иметь одинаковые величины параллакса, удается из-
мерять сравнительно малые параллаксы. Этот метод, назы-
ваемый методом статистического параллакса, расширил шкалу
измеряемых расстояний более чем до 100 пс.
Сложность заключается в том, что звезды в скоплениях, обла-
дающие общим движением, обнаруживают также возрастающее
угловое смещение относительно фоновых звезд. Это смещение
называют собственным движением. Измеряя собственные движе-
ния звезд, можно оценивать расстояния почти так же, как мето-
дом тригонометрического параллакса, но наблюдения при этом
необходимо проводить не полгода, а в течение многих лет. Если
скопление звезд движется в направлении от Солнца, то кажется,
что траектории движения отдельных звезд сходятся к точке, на-
ходящейся по одну сторону от скопления. Аналогичное явление
мы наблюдаем, глядя на удаляющийся поезд: из-за эффекта
перспективы кажется, что рельсы в отдалении сходятся (рис. 14).
По эффекту схождения мы можем судить об определенной соста-
40
Рис. 14. Расстояние до звездных скоплений
Собственные движения и доплеровские смещения отдельных звезд в совокупно-
сти позволяют определить расстояния до одного-двух ближайших звездных ско-
плений, которые находятся слишком далеко, чтобы можно было воспользовать-
ся методом параллакса. При изучении по фотографическим пластинкам
(заснятым в течение нескольких лет) собственных движений звезд в скоплении
Гиады кажется, что их траектории сходятся к некоторой точке, лежащей в сто-
роне от скопления (а). Аналогичный эффект мы наблюдаем, глядя на уходящий
вдаль поезд (б). Наблюдения точки схождения и собственных движений скопле-
ния в совокупности с измерением доплеровских смещений позволяют опреде-
лить расстояние до скопления и его истинное движение в пространстве.
вляющей собственного движения. Если скопление звезд прибли-
жается к нам, то возникает эффект расхождения, аналогичный
явлению, которое мы наблюдаем, когда поезд движется к нам.
Чтобы картина движения звезд была ясна, следует различать
эффекты, связанные с нашим относительным движением в напра-
влении скопления звезд или от него, и эффекты, обусловленные
относительным движением Солнца в направлении, перпендику-
лярном лучу зрения на скопление, т. е. движением, которое послу-
жило в качестве базы для измерения собственного движения
звезд. Относительное движение звезд в направлении от нас мож-
но непосредственно определить путем измерения доплеровского
смещения их спектральных линий. (Названный метод мы обсу-
дим далее в этой же главе.) Изучая спектры звезд и определяя по
ним движение звезд в направлении к нам, можно по соб-
ственным движениям звезд, входящих в скопление, определить
расстояние до скопления.
Этот метод «движущегося скопления» был последовательно
применен к звездному скоплению Гиады, расположенному на
расстоянии 40 пс. Гиады включают достаточное число раз-
личных типов звезд, так что, определив расстояние до них, мы
можем оценить их светимости и тем самым отождествить с по-
добными звездами в более удаленных скоплениях. Затем мы мо-
жем определить расстояния до удаленных скоплений звезд, при-
меняя закон обратных квадратов: наблюдаемая яркость звезды
обратно пропорциональна квадрату расстояния до нее.
В начале XX в. астрономы ясно понимали, что протяженность
нашей Галактики не менее нескольких тысяч световых лет. Се-
годня известно, что ее диаметр равен примерно 30000 пс, или
100 000 световых лет. Однако надежное определение расстояний
до спиральных туманностей потребовало развития нового спосо-
ба калибровки расстояний. Разумеется, параллакс таких уда-
ленных объектов пренебрежимо мал и разрешить эти туманно-
сти на звезды невозможно. Если бы в нашей собственной
Галактике удалось выявить какой-то особый тип звезд, достаточ-
но высокая яркость которых позволяла бы увидеть их в других
спиральных туманностях, то с помощью таких звезд можно бы-
ло бы оценивать межгалактические расстояния. Необходимым
связующим звеном оказались переменные звезды (цефеиды).
В 1923 г. Эдвину Хабблу впервые удалось разрешить эти звезды
в галактике Андромеды, после чего он воспользовался ими для
определения расстояний до нескольких ближайших галактик.
Цефеиды испытывают регулярные пульсации (рис. 15). Снача-
ла звезда расширяется, становясь более яркой, затем сжимается
и тускнеет. Периодическое усиление и ослабление яркости для
различных звезд происходит за разные промежутки времени-от
нескольких дней до года. В течение десятилетия, предшествовав-
шего открытию Хаббла, Генриетта Ливитт и Харлоу Шепли
установили, что в отличие от других переменных звезд вариации
42
Рис. 15. Кривая светимости переменных звезд-цефеид
Цефеиды изменяются по цвету (а), радиальной скорости звездной атмосферы (в)
и интенсивности света (б). Атмосфера звезды расширяется до максимального
размера в середине цикла изменения светимости от максимума до минимума;
атмосфера звезды сжимается до минимального размера в противоположной
точке цикла. Относительные размеры увеличиваются до тех пор, пока не дости-
гается прозрачность; действительные изменения не превышают 20%.
светимости цефеид строго периодичны. Ливитт определила пе-
риоды пульсаций десятков цефеид в Малом Магеллановом
Облаке и заметила, что у самых ярких цефеид периоды система-
тически оказываются наиболее длинными. Выявилась однознач-
ная связь между периодом и истинной яркостью-измеряя одну
43
7
Рис. 16. Зависимость период-светимость для цефеид
По оценкам Харлоу Шепли все цефеиды располагаются на одной кривой (сплош-
ная белая линия), показывающей возрастание светимости с увеличением перио-
да. Вальтер Бааде разделил цефеиды на два класса: популяция I (сплошная чер-
ная линия) и популяция II (пунктирная белая линия); при одинаковом периоде
звезды популяции II слабее, чем звезды популяции I. Шкала светимостей (выра-
женных в звездных величинах) такова, что при переходе от одной звездной вели-
чины к соседней, меньшей, яркость звезды увеличивается в 2,5 раза (чем меньше
звездная величина, тем ярче звезда).
из этих величин, можно без труда определить другую (рис. 16).
Работа Ливитт основывалась на сопоставлении относительных
яркостей звезд, находящихся на различных расстояниях, и
в 1917 г. Шепли впервые использовал зависимость период - свети-
мость для измерения абсолютных яркостей цефеид в Млечном
Пути. Определение расстояний до цефеид в ближайших звездных
скоплениях было нелегкой задачей. Такие скопления располо-
жены на расстояниях в несколько сотен парсек, и здесь методы
параллаксов перестают быть точными. Астрономы разработали
метод, который заключался в измерении цвета и звездных вели-
чин многих звезд в скоплении и нанесении полученных значений
на диаграмму цвет-звездная величина. Было обнаружено, что на
этой диаграмме выделяется характерная полоса, названная глав-
ной последовательностью, вблизи которой группируется боль-
44
шинство звезд. В частности, звезды каждого цвета, или спек-
трального класса, характеризуются определенной звездной вели-
чиной. Таким образом, оказалось, что диаграмма цвет-звездная
величина может быть откалибрована по скоплению Гиады, а за-
тем использована при определении расстояний до более уда-
ленных звездных скоплений, содержащих цефеиды.
Описанным способом можно было определить расстояния до
цефеид в ближайших к нам звездных скоплениях в Млечном Пу-
ти и, располагая этой информацией, откалибровать зависимость
период-светимость, что позволяло определить истинную яр-
кость ближайших цефеид. А это в свою очередь давало воз-
можность оценить расстояния до галактик, содержащих це-
феиды.
Именно таким путем было установлено, что Магеллановы
Облака находятся очень далеко от нас. Действительно, теперь
мы знаем, что это отдельные галактики, являющиеся спутниками
Млечного Пути. Ближайшей галактикой, сравнимой по размеру
с нашей собственной, является галактика Андромеды. Едва раз-
личимая невооруженным глазом в виде туманного пятнышка на
небе, она удалена от нас приблизительно на 2 млн. световых лет.
Галактика Андромеды, как и Млечный Путь, содержит около
300 млрд, звезд. Многие из этих звезд по яркости подобны Солн-
цу. Более редкие массивные звезды в миллионы раз ярче. Другие,
менее массивные звезды гораздо менее ярки, и, возможно, неко-
торые из них по массе не намного превосходят гигантские пла-
неты типа Юпитер.
Для наблюдательной космологии галактики служат пер-
вичными «строительными блоками», с помощью которых астро-
номы составляют карту Вселенной. Эдвин Хаббл продолжал по-
иск индикаторов расстояний, необходимых для построения
карты далеких областей пространства, и обнаружил в более уда-
ленных галактиках чрезвычайно яркие объекты,-как он полагал,
звезды,-которые ему удалось явно разрешить. Эти ярчайшие
«звезды», как мы теперь знаем, являются газовыми туманностя-
ми, которые известны астрономам как области НИ (принятое на-
звание для ионизованного водорода) и которые окружают мас-
сивные звезды; наиболее яркие из них действительно мало
различаются в диаметре, хотя расположены в разных галактиках,
и могут служить индикаторами расстояний. Хаббл смог опреде-
лить расстояния до галактик, расположенных в 10 раз дальше,
чем галактика Андромеды. Этот первый шаг за пределы локаль-
ной области окружающего нас пространства и привел Хаббла
в конечном счете к революционному открытию-далекие галак-
тики разбегаются друг от друга. Чтобы понять, как совершилось
это новое открытие, ознакомимся сначала с характером той ин-
формации, которую несет нам слабый свет, приходящий от уда-
ленных галактик.
45
САМЫЕ ДАЛЕКИЕ ОБЪЕКТЫ
В последние годы измерения, касающиеся наиболее удаленных
объектов, ограничивались исследованием информации, которую
давали фотографические пластинки, отснятые на самых больших
телескопах мира. Долгое время самым большим телескопом
в мире был 200-дюймовый (5-метровый) телескоп на вершине
горы Маунт-Паломар в южной Калифорнии (США). Сегодня
самым большим оптическим телескопом в мире является
240-дюймовый (6-метровый) телескоп в станице Зеленчукская на
Северном Кавказе (СССР).
При долгой экспозиции фотографической пластинки, располо-
женной в фокусе одного из таких больших телескопов, астро-
номы могут отождествить многие из запечатленных там слабых,
расплывчатых изображений с удаленными галактиками. Хотя эти
изображения слишком малы и их сколько-нибудь детальная
структура неразличима, мы знаем, что имеются определенные
типы галактик и галактики одного типа во многом похожи по
своим общим свойствам. Галактики можно классифицировать по
внешнему виду. Некоторые галактики обладают ярко выражен-
ной спиральной структурой, другие-плавной округлой формой.
Поэтому в зависимости от формы галактики делят на спи-
ральные и эллиптические; в свою очередь галактики этих типов
подразделяются по степени выраженности их спиральной струк-
туры или сплюснутости. Многие галактики выходят за рамки
данной системы классификации, и их называют неправильными
системами. Более подробно классификация галактик рассмотрена
и проиллюстрирована в гл. 10.
Важнейшей характеристикой галактики является количество
излучаемой ею энергии, иначе говоря, ее полная светимость.
Подобно звездам галактики бывают яркими и слабыми, но, как
правило, галактики, принадлежащие к какому-либо определенно-
му классу данного типа, мало отличаются друг от друга по
своей полной светимости (рис. 17). Астрономы, например, могут
измерить видимую яркость спиральной галактики некоторого
определенного типа. Истинную же яркость подобных галактик
можно определить, изучая цефеиды или самые яркие газовые ту-
манности, расположенные в более близкой системе того же типа.
Сравнивая далее видимую яркость фотографического изображе-
ния удаленной галактики с видимой яркостью близкой галакти-
ки, расстояние до которой известно, можно оценить расстояние
до удаленной галактики. Этот метод оценки расстояний вполне
надежен вплоть до расстояний в сотни миллионов световых лет.
По мере того как мы пытаемся проникнуть дальше за преде-
лы этих уже и так гигантских расстояний, становится все труднее
распознавать тип спиральной структуры очень далеких галактик,
и тогда астрономы, чтобы распределить галактики по катего-
риям, используют еще одно их характерное свойство. Часто га-
46
Рис. 17. Галактики как индикаторы расстояний
Галактики с различными собственными яркостями, или светимостями, обнару-
живают в любом большом объеме пространства. Если включить в рассмотрение
все галактики, то их яркость будет изменяться в очень широком диапазоне (не-
прерывная линия). Это распределение называют функцией светимости галактик.
Если ограничиться лишь самыми яркими галактиками в скоплениях галактик, то
обнаруживается, что они удивительно близки по яркостям: их светимости разли-
чаются не более чем примерно в два раза (затушеванная область). Поэтому га-
лактики данного класса могут быть использованы как индикаторы расстояний.
Определив собственную яркость галактик этого класса из наблюдений ближай-
ших скоплений галактик, можно затем с их помощью оценивать расстояния до
более удаленных скоплений, которые содержат аналогичные галактики.
лактики наблюдаются в богатых скоплениях (рис. 18), которые,
хотя и находятся на больших расстояниях, видны намного отчет-
ливее, чем одиночные галактики. Оказывается, что самый яркий
член скопления-это почти всегда гигантская эллиптическая га-
лактика, и такие ярчайшие члены скоплений по яркости не силь-
но отличаются друг от друга. Более того, истинная яркость 90%
их изменяется в пределах узкого диапазона, отличаясь от скопле-
ния к скоплению не более чем в два раза. Это поистине счастли-
вое обстоятельство, поскольку отдельные галактики сильно раз-
личаются по своей светимости. Галактики с самой большой
известной на сегодня светимостью приблизительно в 100 раз яр-
47
Рис. 18. Далекое скопление галактик
Скопление галактик Кома находится на расстоянии, которое очень приближенно
равно 300 млн. световых лет. На этой фотографии в виде размытых изображе-
ний видны многие эллиптические и спиральные галактики; фотография охваты-
вает центральные области скопления, составляющие несколько миллионов све-
товых лет в поперечнике.
че Млечного Пути, светимость которого в 10 млрд, раз превы-
шает светимость Солнца. Карликовые галактики, обладающие
наименьшей светимостью, не ярче, чем несколько миллионов
Солнц. Использование самых заметных галактик в богатых скоп-
лениях в качестве индикатора расстояний открыло возможность
исследования далекой Вселенной. В действительности мы уже
можем принимать свет, испущенный галактиками, удаленными
от нас на 10 млрд, световых лет. Звезды, находящиеся в этих га-
лактиках, испускали этот свет за миллиарды лет до образования
Земли (табл. 3).
Кажется, что самые далекие галактики мало отличаются от
близких к нам галактик. Звезды в них также состоят из водорода
48
и более тяжелых элементов. Как следует из некоторых последних
данных, в удаленных скоплениях галактик содержится больше
голубых галактик, чем в близких скоплениях. В нашей Галактике
самые голубые звезды, как правило, являются очень горячими,
яркими, массивными и молодыми. Голубой цвет далеких скопле-
ний должен быть обусловлен активными процессами звездообра-
зования. Если наблюдения указывают на более высокий темп
Таблица 3
ВНЕГАЛАКТИЧЕСКАЯ ШКАЛА РАССТОЯНИЙ
Метод исследования	Астрономические объекты	Измеряемое расстояние
Параллакс (земные базы)	Планеты	1014 см, или 1 све- товой час
Параллакс (база Земля - орбита Земли)	Ближайшие звезды	50 световых лет
Движущееся скопление	Звездное скопление Г иады	120 световых лет
Статистический параллакс Диаграмма цвет - звездная величина	Галактические звезд- ные скопления	103 световых лет 3- 10s световых лет
Зависимость период- светимость	Переменные звезды- цефеиды	107 световых лет
Диаметры НП-областей	Спиральные галактики	108 световых лет
Ярчайшая галактика в скоплении	Далекие скопления га- лактик	Ю10 световых лет
звездообразования в галактиках, принадлежащих к более дале-
ким скоплениям, чем в галактиках того же типа в ближайших
скоплениях, то, поскольку свет от удаленных галактик достигает
нас спустя более продолжительное время, мы делаем вывод, что
более далекие галактики мы видим, вероятно, более молодыми
и активными, чем близкие к нам галактики. Таким образом, на-
блюдения далеких галактик свидетельствуют в пользу теории
Большого взрыва, согласно которой космическая эволюция про-
исходит в огромных масштабах.
Химический состав далеких галактик был для астрономов за-
гадкой вплоть до начала XX в, когда получил развитие особый
раздел науки - астрономическая спектроскопия. Спектроскопия
занимается изучением спектров света (от любого источника), т. е.
разложения света на составные цвета. Общеизвестный пример
естественного спектра-радуга; крошечные капельки воды, содер-
жащиеся в земной атмосфере, разлагают белый солнечный свет
в спектр. Этот эффект обусловлен тем, что капельки воды рас-
сеивают под разными углами волны различных длин, которые
49
вместе дают белый свет: например, лучи красного цвета откло-
няются меньше, чем лучи голубого цвета. В результате белый
свет разлагается на составляющие его цвета.
Спектр света от далеких звезд можно получить, пропуская
свет через призму, установленную в фокусе большого телескопа.
Чаще вместо призмы используют дифракционную решетку. Это
устройство представляет собой стеклянную пластинку, на кото-
рую нанесено (обычно путем протравливания) множество близко
расположенных друг к другу параллельных линий, промежутки
между которыми сравнимы с длиной волны света. На такой ре-
шетке происходит явление дифракции: пучок света по существу
проходит через щель, ширина которой сравнима с длиной волны
света. В результате луч света отклоняется на угол, зависящий от
длины волны света, так что свет разлагается на составляющие
его цвета. Инструмент, который расщепляет свет на составляю-
щие цвета, называется спектрографом (рис. 19, 20).
Если используется решетка с низкой дисперсией (с относи-
тельно малым числом линий), то в спектре получается лишь не-
сколько цветов. Этот эффект аналогичен эффекту, создаваемому
призмой, которая разлагает свет на множество перекрывающих-
ся полос разного цвета-от красного до голубого. По мере уве-
личения дисперсии решетки (т.е. при увеличении числа штрихов)
получаются все более тонкие градации цвета. Помещая перед ре-
шеткой в фокусе телескопа узкую щель, астрономы получают не-
перекрывающиеся узкие полосы разных цветов. Эти полосы на-
зываются спектральными линиями, их гораздо легче измерять,
чем более размытые изображения.
При достаточно высокой дисперсии (когда решетка густо ис-
пещрена штрихами) звездный свет разлагается не в непрерывную
последовательность цветов, как в радуге, а на множество узких
спектральных линий, каждая из которых характерна для изуче-
ния того или иного типа атомов. Эти спектральные линии на-
кладываются на более слабый непрерывный спектр света. Каж-
дому типу атомов, если атомы неподвижны, соответствуют
определенные спектральные линии, которые наблюдаются всегда
в точности на одних и тех же длинах волн, т. е. имеют одни и те
же цвета. Например, поваренная соль окрашивает пламя в яркий
желто-оранжевый цвет; при исследовании этого света с по-
мощью дифракционной решетки обнаруживается интенсивное из-
лучение на длине волны 5889 А [1 А (ангстрем) = 10“8 см]. Длина
волны, выраженная в ангстремах, дает точное определение цвета.
Например, человеческийоглаз воспринимает красным свет с дли-
ной волны 6500-7000 А, а голубым-свет с длиной волны
4000-4500 А. Излучение натрия выглядит желто-оранжевым, по-
тому что любой свет с длиной волны 5000-6000 А глаз воспри-
нимает как желто-оранжевый. Длина волны света, испускаемого
натрием, может быть измерена с точностью до одной миллиард-
ной сантиметра.
50
Рис. 19, 20. Как работает спектрограф
Штрихи на дифракционной решетке нанесены столь часто, что расстояние между
ними сравнимо с длиной волны света. Угол преломления света зависит от его
длины волны, поэтому свет расщепляется на составляющие его цвета. В призме
световые лучи также отклоняются на разные углы в зависимости от их цвета
(рис. 19). Спектрограф (рис. 20) состоит из щели в фокальной плоскости телеско-
па (щель предназначена для выделения изучаемой звезды), линзы-коллиматора,
которая создает параллельный пучок лучей, решетки и камеры, фокусирующей
свет для получения спектра.
Свет, испускаемый звездой, включает тысячи таких спек-
тральных линий (рис. 21), каждая из которых отождествляется
с определенным химическим элементом. Солнечный свет также
содержит спектральные линии. Исследованием солнечного^спек-
тра ученые стали заниматься с начала XIX в., когда Йозеф
Фраунгофер впервые описал обнаруженные им спектральные ли-
51
Основные спектральные классы
Класс	Звезда
Ч Аурики
8 Лебедя
р Кассиопеи
==
Ч Пегаса
у Дракона
а Геркулеса
19 Рыбы
Se	R Геминоров
Рис. 21. Звездные спектры
Основные типы звездных спектров для нескольких классов звезд: О (горячие), В,
A, F, G, К, М, N и S (холодные). Светлые линии на этих негативах-это линии
поглощения. В спектрах горячих звезд преобладают линии водорода и гелия;
в спектрах холодных звезд заметны линии кальция и железа.
нии. В 1859 г. эти спектральные линии были объяснены физичес-
ки на основе процессов излучения и поглощения, и вскоре после
этого удалось получить первый спектр звезды. В солнечном спек-
тре имеется много узких темных линий, а также ряд светлых ли-
ний. Светлые линии имеют в точности то же происхождение, что
и желто-оранжевый свет, испущенный пламенем, в котором го-
рит натрий. Светлые линии соответствуют эмиссии излучения го-
рячим газом. Темные линии-это линии поглощения. Они возни-
кают, когда свет, имеющий непрерывный спектр, проходит через
холодный газ. Холодный газ поглощает падающий свет с той же
характерной длиной волны, на которой излучал бы тот же газ
в достаточно нагретом состоянии. Слой достаточно холодного
газа на Солнце образует так называемую фотосферу; она окру-
жает более горячие внутренние области, испускающие свет. Ис-
следования относительной интенсивности спектральных линий
показывают, что Солнце и ближайшие звезды состоят в основ-
ном из водорода (70% по массе) и гелия (28%). Остальную не-
большую (но весьма важную) часть составляют более тяжелые
элементы, такие, как азот, углерод, кислород и железо.
52
В спектре любой спиральной галактики наблюдается много
широких линий поглощения, и этот спектр совсем не похож на
спектр отдельной звезды, который содержит сравнительно резкие
спектральные линии. Уширение линий в спектре галактики отча-
сти объясняется тем, что здесь мы имеем дело с множеством
различных типов звезд, различающихся по спектрам. Однако
главной причиной уширения линий является движение множества
отдельных звезд. В следующем разделе мы покажем, как движе-
ние звезд может влиять на наблюдаемый спектр. А сейчас лишь
отметим, что широкие линии поглощения в спектрах галактик
можно с полной определенностью отождествить с спектральны-
ми линиями излучения звезд, подобных Солнцу. Таким образом,
мы приходим к выводу, что галактики-это скопления многих
миллиардов отдельных звезд, которые мы не можем различить
в отдельности из-за огромных расстояний до них.
РАЗБЕГАНИЕ ГАЛАКТИК
Развитие спектроскопии прицеле к удивительному откры-
тию -было обнаружено, что Вселенная не статична, а находится
в состоянии расширения. Революционное значение этого откры-
тия трудно переоценить. Даже Эйнштейн в своих первых работах
по теории гравитации отвергал возможность расширения Вселен-
ной. Чтобы понять, как был получен этот удивительный резуль-
тат, обратимся к методу, с помощью которого можно измерять
скорость источника света. Скорость света конечна, она соста-
вляет около 300 000 км/с и постоянна в вакууме. Свет, излу-
чаемый движущейся звездой, распространяется с той же ско-
ростью, что и свет от неподвижной звезды. Это свойство света
легло в основу специальной теории относительности, из которой
следует, что никакой материальный объект не может двигаться
быстрее света. Постоянство скорости света астрономы непосред-
ственно обнаруживают, изучая двойные звезды, т.е. пары звезд,
движущихся по близким орбитам. В некоторых двойных систе-
мах через равные интервалы времени одна звезда заслоняет дру-
гую-происходит затмение. Можно измерить время начала за-
тмения, когда затмеваемая звезда удаляется от Земли, и время
окончания затмения, когда звезда выходит из тени своего ком-
паньона, двигаясь к Земле. Измеряя продолжительность затме-
ния, мы можем определить, распространялся ли свет медленнее
в начале затмения, чем в его конце. Ничего подобного обнаруже-
но не было, начало и конец затмения совершенно одинаковы по
своей продолжительности, откуда делается вывод, что скорость
света не зависит от движения излучающей звезды.
Тем не менее, исследуя спектр света от звезды, можно опреде-
лить, движется звезда к Земле или от нее. Когда свет удаляю-
щейся звезды достигает телескопа, звезда находится несколько
дальше от Земли, чем в момент, когда этот свет покинул звезду.
53
Конечно, звезда излучает свет непрерывно, но мы можем пред-
ставить себе распространение света в виде волн, которые факти-
чески соответствуют бесконечно малым импульсам электромаг-
нитного излучения, которым является свет. Предположим, что
в течение некоторого промежутка времени звезда излучает свет
с определенной длиной волны. Частота излучения волн источни-
ком видимого света так велика (около 1015волн в секунду), что
глаз воспринимает излучение как непрерывное. При такой высо-
кой частоте расстояние между импульсами излучения, следующи-
ми один за другим (т. е. длина волны), очень мало. Названная ци-
фра соответствует голубому цвету; самой большой длиной
волны в видимом диапазоне обладает красный свет. Звезда излу-
чает с определенной длиной волны X, к моменту достижения Зе-
мли эти волны проходят большее расстояние, так как звезда все
время удаляется от Земли. Другими словами, длина волны света,
которую измеряет астроном, больше излучаемой длины волны X.
Таким образом, свет испытывает смещение в сторону более
длинных волн, иначе говоря, мы наблюдаем так называемое
красное смещение. Следовательно, спектральные линии звезды,
удаляющейся от Земли, будут соответствовать большим длинам
волн по сравнению со спектральными линиями покоящейся
звезды (рис. 22).
Поскольку ожидаемая длина волны света от неподвижной
звезды точно известна, мы можем определить, движутся отда-
ленные звезды от нас или к нам и с какой скоростью. Красное
смещение (относительное увеличение длины волны) прямо про-
порционально скорости звезды. Эту зависимость можно выра-
зить количественно: относительное увеличение длины волны (по
сравнению с длиной волны света в момент излучения) равно от-
ношению скорости удаления звезды к скорости света. Если бы
наблюдаемая длина волны уменьшалась, а не увеличивалась, то
мы наблюдали бы голубое смещение. Аналогично красному сме-
щению голубое смещение-это относительное уменьшение длины
волны света, испускаемого приближающимся источником, по
сравнению с длиной волны света от неподвижного источника.
Величина голубого смещения равна скорости движения прибли-
жающегося источника, деленной на скорость света. Эти соотно-
шения должны быть видоизменены, когда скорость источника
становится значительной, приближаясь к скорости света, по-
скольку в этом случае смещение спектра излучающего объекта
в голубую или красную сторону должно в действительности не-
ограниченно возрастать; однако эти соотношения, как правило,
справедливы для света, испущенного звездами и галактиками.
Изменение длины волны света в результате движения источ-
ника света называют эффектом Доплера [2]. Этот эффект анало-
гичен эффекту, с которым мы сталкиваемся, слушая свисток по-
езда; в зависимости от того, приближается поезд или удаляется,
высота звука соответственно повышается или понижается. Если
54
Рис. 22. Эффект Доплера
Эффект Доплера применим к любому движущемуся источнику излучения, вклю-
чая источники звуковых и световых волн. Когда звезда покоится (а), расстояние
между последовательными волновыми фронтами (или длина волны света), изме-
ренное телескопом, совпадает с длиной волны света, испущенного звездой. Если
звезда приближается к Земле (б), то к моменту, когда световые волны достигают
телескопа, они «сжимаются» и длина волны уменьшается, т. е. смещается в голу-
бую область спектра относительно длины волны, испускаемой неподвижной
звездой. И наоборот, быстрое движение звезды в направлении от Земли (в) при-
водит к удлинению волны, т.е. к смещению спектральных линий в красную
область.
мы в состоянии точно измерить длину волны света, то мы мо-
жем определить как направление, так и скорость движения
звезды. Фотографические снимки спектров ближайших звезд по-
зволяют определить длину волны с точностью до 0,1 А. Таким
55
образом, астрономы имеют возможность определить скорости
звезд, которые по порядку величины равны скорости света, умно-
женной да отношение 0,1 А к длине волны видимого света
(~ 5000 А), что составляет скорость около 6 км/с.
Теперь мы можем понять и причину уширения спектральных
линий. В результате движения атомов, образующих звезду, длина
волны каждой линии смещается либо в голубую, либо в красную
часть спектра, поэтому случайное движение атомов, которое, как
мы знаем, происходит в горячем газе, приводит к уширению
каждой спектральной линии. Линии поглощения обусловлены
сравнительно холодным газом, и поэтому они гораздо уже, чем
линии излучения.
Спектр обычной звезды содержит многочисленные линии, ис-
пускаемые различными элементами, входящими в состав звезды,
включая водород, гелий, натрий, кальций, углерод, азот, кисло-
род и железо. Измерение сдвигов этих спектральных линий для
многих звезд позволило установить, что наша Галактика вра-
щается в пространстве подобно гигантскому колесу. Солнце
и множество звезд в Млечном Пути обращаются вокруг центра
Галактики со скоростью более 200 км/с. В ближайшей окрестно-
сти Солнца мы не замечаем таких больших скоростей у боль-
шинства ближайших звезд, так как они движутся вместе с Солн-
цем. Эти звезды, обладающие малой скоростью, составляют
часть галактического диска, который включает яркие области
Млечного Пути. В окрестности Солнца есть также звезды, обла-
дающие большой скоростью, они образуют население более мед-
ленно вращающегося галактического гало. Относительно наших
звездных соседей Солнце движется в направлении созвездия Веги
с умеренной скоростью, составляющей всего лишь 20 км/с (для
сравнения заметим, что вторая космическая скорость, которую
необходимо сообщить космическому аппарату, чтобы он поки-
нул Землю, равна 11 км/с). Земля обращается вокруг Солнца со
средней скоростью 30 км/с.
Свет от галактик разлагается с помощью спектрографа на со-
вокупность спектров многочисленных звезд. Разрешить от-
дельные звезды, фотографически или спектрографически, удается
очень редко, за исключением очень ярких звезд в ряде ближай-
ших галактик. Галактика Андромеды состоит из 300 млрд, звезд,
которые вносят вклад в ее светимость. Несмотря на то что сюда
входят самые разные типы звезд с разными спектрами, мы мо-
жем различить четкие спектральные линии, позволяющие изме-
рить скорость галактик. Движения звезд в далекой галактике со-
здают сложный спектр, спектральные линии которого уширяют-
ся еще больше. Если в движении звезд имеется некоторая
упорядоченность, обусловленная вращением галактики, то это
проявляется в виде асимметричной формы спектральных линий.
Если подавляющее большинство звезд с одной стороны галакти-
ки движется в направлении Земли, то спектральные линии, излу-
56
Зависимость величины красного смещения
от расстояния до далеких галактик
Скопление
галактик в
Деве
Расстояние
свет, годы
78000000
Скорость разбегания галактик
Большой
Медведице
Северной
Короне
1000 000 000
1400000000
22000 км/с
Волопасе
2500000000
Гидре
3960000000
Н + К

Рис. 23. Спектры галактик
Здесь представлены фотографии и спектры галактик в нескольких богатых ско-
плениях. Скопления лежат в широком интервале расстояний-от близких (Дева)
до очень далеких (Гидра). Наиболее заметные линии поглощения указаны стрел-
ками; эти так называемые Н- и К-линии обусловлены поглощением в кальции.
Линии в спектрах скоплений гораздо шире линий в спектрах отдельных звезд;
это связано с движениями звезд в пределах каждой из галактик. По мере увели-
чения расстояний до скоплений линии поглощения все более смещаются в крас-
ную область спектра. Это красное смещение обусловлено эффектом Доплера
и может быть выражено через относительную скорость удаления скопления (на
рис.-скорость разбегания галактик). Обнаружено, что скорость удаления растет
линейно с увеличением расстояния до скоплений.
чаемые этими звездами, будут иметь преимущественно голубое
смещение. Спектральные линии в свете звезд с противоположной
стороны галактики будут иметь красное смещение, так как из-за
вращения галактики они движутся главным образом от Земли.
В результате наблюдается голубое смещение света, приходящего
с одной стороны галактики, и красное смещение света, приходя-
щего с противоположной стороны галактики; если щель спектро-
графа ориентировать вдоль главной оси галактики, то сложные
спектральные линии становятся асимметричными. Скорость вра-
щения галактики можно определить по асимметрии спек-
тральных линий. Таким образом, было установлено, что галакти-
ка Андромеды и многие другие спиральные галактики вращают-
ся приблизительно с такой же скоростью, что и наш Млечный
Путь.
Во втором десятилетии XX в. Весто Мелвин Слайфер и дру-
гие астрономы обнаружили, что почти все наиболее далекие га-
лактики удаляются от Млечного Пути. Позже Эдвин Хаббл уста-
новил, что скорость удаления галактики прямо пропорциональна
расстоянию до нее: чем больше расстояние до галактики, тем
больше ее видимая скорость (рис. 23). Спектры удаленных галак-
тик, как правило, имеют красное смещение; по величине красно-
го смещения мы можем определить скорости, с которыми галак-
тики удаляются от нас.
Исключение составляет галактика Андромеды, которая дви-
жется в направлении Млечного Пути со скоростью около
50 км/с. Только малая группа близких систем, таких, как галак-
тика Андромеды, не удаляется от .Млечного Пути, причем они
обладают относительно небольшими скоростями. Хаббл считал,
что наблюдаемые галактики входят в состав расширяющейся
Метагалактики. На глобальное космическое расширение на-
кладывается небольшая составляющая беспорядочного движе-
ния. Движения галактик аналогичны движениям волн в океане:
в основном движении океана главную роль играют приливы, но
происходит также и некоторое беспорядочное движение. На
рис. 24 показаны движения различных видов, которые опреде-
ляют ориентацию Земли в пространстве.
Зависимость между скоростью удаления галактик и расстоя-
нием до них называют законом Хаббла, который гласит, что ско-
рость удаления равна расстоянию, умноженному на некоторую
величину Н, называемую постоянной Хаббла. Величину постоян-
ной Н определяют из измерений скоростей удаления галактик,
расстояния до которых оцениваются каким-то другим незави-
симым способом (например, по размеру самой яркой газовой ту-
манности). По оценкам астрономов величина Н приблизительно
равна 15 км/с на миллион световых лет, т. е. удаленная галакти-
ка, находящаяся на расстоянии миллион световых лет, движется
от нас со скоростью 15 км/с. Некоторые весьма авторитетные
астрономы утверждают, что в действительности величина Н
58
Крупномасштабная неоднородность
Рис. 24. Наша космологическая система отсчета
Согласно астроному Ж. Вокулеру, галактики внутри и вокруг скопления Дева
составляют систему, называемую Местным сверхскоплением. Эта система про-
стирается на расстояние примерно в 50 млн. световых лет и имеет уплощенное
распределение галактик с результирующей скоростью вращения около 400 км/с;
это составляет почти 50% от хаббловской скорости разбегания галактик на том
расстоянии, на котором находится скопление Дева. Даже за пределами Местно-
го сверхскопления возможны крупномасштабные неоднородности в распределе-
нии галактик. Согласно американским астрономам В. Рубин и К. Форду, такая
неоднородность должна простираться на расстояние около 400 млн. световых
лет. Подобное предположение основывается на том, что скорости убегания да-
леких галактик оказываются различными в различных направлениях. Однако от-
клонение от крупномасштабной однородности не превышает примерно 10% от
хаббловской скорости разбегания. Что касается больших масштабов, то здесь
астрономические данные указывают на изотропию пространства, и по измере-
ниям микроволнового фонового излучения полная скорость нашей Галактики
относительно космологической системы отсчета составляет около 6000 км/с. Со-
гласно измерениям, реальная скорость Земли относительно фонового излучения
составляет всего лишь 390 км/с; если учесть движения Земли вокруг Солнца
(30 км/с), Солнца вокруг центра Галактики (250 км/с) и галактики Млечный
Путь по направлению к галактике Андромеды в Местной группе галактик
(100 км/с), то получается более высокая скорость, приведенная выше.
в два раза выше названной здесь, но в нашем последующем из-
ложении мы примем меньшее значение Н; причины этого станут
ясны при обсуждении возраста Вселенной. Подобное разногласие
в оценке величины Н, вероятно, трудно будет устранить, пока
в космос не будет запущен большой оптический телескоп (его за-
пуск планируется осуществить в середине 80-х годов).
Величина скорости расширения, первоначально полученная
Хабблом, была в 10 раз больше ныне принятого ее значения. Та-
ким образом, при оценке скорости Хаббл ошибся не намного, но
его оценки расстояний были сильно занижены. Наблюдаемая
Вселенная гораздо больше, чем считал Хаббл. Галактики, входя-
щие в ближайшее к нам богатое скопление в созвездии Дева,
удалены от нас на 60 млн. световых лет. По грубым оценкам
скорость их удаления равна 1000 км/с, т.е. составляет 0,003 ско-
рости света. Расширение, установленное Хабблом, наблюдается
на все больших расстояниях, при которых скорость удаления га-
лактик составляет 1/3 и даже более от скорости света. Эти галак-
тики удалены более чем на 5 млрд, световых лет.
ОДНОРОДНОСТЬ ВСЕЛЕННОЙ
Хаббл внес в космологию еще один вклад, вероятно не менее
важный, чем открытое им расширение Вселенной. Столетием
раньше Гершель, подсчитав многие тысячи звезд, пришел
к убеждению, что Млечный Путь имеет конечную протяжен-
ность. Аналогичным образом Хаббл подсчитал галактики. Про-
никая все глубже в пространство, ко все меньшим, на пределе об-
наружения видимым звездным величинам, он обнаружил, что
число галактик при этом пропорционально увеличивалось, что
согласуется с представлением об однородном распределении га-
лактик в обычном евклидовом пространстве.
Для измерения относительной яркости звезд астрономы поль-
зуются шкалой звездных величин [3] (логарифмической шкалой
яркости). Невооруженный глаз может видеть звезды до 6-й звезд-
ной величины; самые слабосветящиеся объекты (наиболее уда-
ленные от Млечного Пути галактики), сфотографированные
с большой выдержкой на одном из самых крупных телескопов,
соответствуют почти 24-й звездной величине. Сегодня предполо-
жение Хаббла подтвердилось вплоть до этой предельной вели-
чины.
Этот результат доказывает, что Вселенная почти однородна
в очень большом масштабе. Яркость Млечного Пути указывает
на то, что наша Галактика-это огромная локальная неоднород-
ность, как и те звезды, которые в ней находятся, а большие ско-
пления галактик представляют собой более слабые неоднородно-
сти-в том смысле, что внутри занимаемых ими объемов
локальная средняя плотность вещества возрастает в меньшей
степени. Даже при больших масштабах, в десятки миллионов
60
световых лет и более, обнаруживаются нерегулярности в распре-
делении галактик. Были выделены сверхскопления галактик; не-
которые из них, возможно, имеют протяженность более 100 млн.
световых лет. Наша собственная Галактика, по-видимому, нахо-
дится на окраине одного из таких сверхскоплений-сверхскопле-
ния Девы, центр которого расположен в скоплении галактик
в созвездии Девы на расстоянии около 60 млн. световых лет. Од-
нако подсчеты числа галактик за пределами нашего собственно-
го сверхскопления указывают на однородность их распределения
в очень больших масштабах (рис. 24). Оказывается, что плот-
ность светящегося вещества в виде звезд и галактик, сосредото-
ченного вблизи сверхскопления Девы, такая же, как и в более
удаленных областях Вселенной.
Ни в одном направлении не обнаружено каких-либо явных
отклонений от однородности в больших масштабах. Если бы
Вселенная имела какой-то выделенный центр или границу, то
при подсчете галактик мы могли бы это заметить: например,
при подсчете числа галактик в направлении центра их должно
было бы быть больше, чем при подсчете в направлении от цент-
ра. Ничего подобного не было обнаружено.
61
Вероятно, самое удивительное подтверждение крупномас-
штабной однородности Вселенной было получено при недавних
исследованиях космического фонового излучения. Эти исследова-
ния свидетельствуют об изотропии излучения, т. е. его полной
однородности во всех направлениях. Если у Вселенной есть ка-
кой-то выделенный центр, то мы должны находиться очень близ-
ко от него, ближе, чем на расстоянии в 0,001 радиуса Вселенной,
в противном случае возникала бы недопустимо большая наблю-
даемая анизотропия в интенсивности излучения и мы обнаружи-
ли бы избыток излучения в одном каком-то направлении по
сравнению с противоположным. Кроме того, не было обнаруже-
но никаких мелкомасштабных угловых вариаций в интенсивно-
сти излучения. Это говорит о том, что на очень раннем этапе
эволюции Вселенной, когда возникло это излучение, она должна
была быть очень однородной. Далее (гл. 4) мы рассмотрим при-
роду космического фонового излучения; сейчас же для нас важно
то, что оно служит еще одним наблюдательным подтверждением
космологического принципа Коперника, лежащего в основе тео-
рии Большого взрыва.
ПАРАДОКС ОЛЬБЕРСА
Вдали от Млечного Пути ночное небо выглядит удивительно
темным. Эта, казалось бы чисто внешняя, особенность неба
имеет глубокое значение для космологии. В XIX в. немецкий
астроном Генрих Ольберс (и столетием раньше Жан Филипп де
Чезо) высказал ряд простых предположений относительно Все-
ленной. Вселенная статична, содержит звезды почти одинаковой
яркости, и, если рассматривать достаточно большие области
пространства, распределение звезд в ней однородно.
Из этих предположений вытекает удивительный парадокс.
Рассмотрим некоторую большую сферическую оболочку, в цент-
ре которой находится Земля. Можно вычислить количество све-
та, излучаемого звездами, заключенными внутри этой оболочки.
Затем рассмотрим оболочку с радиусом, вдвое большим. Внутри
этой новой оболочки звезды выглядят в среднем в четыре раза
менее яркими, чем внутри первой оболочки, но зато их теперь
в 4 раза больше, поэтому они дают сравнимый вклад в свечение
ночного неба. С каждым удвоением радиуса таких оболочек ко-
личество света, поступающее от них на Землю, удваивается, по-
этому и яркость ночного света должна удваиваться. Неограни-
ченно продолжая такого рода рассуждения, мы приходим
к выводу, что если рассматривать поверхности все большего ра-
диуса, то яркость ночного неба должна неограниченно нарастать.
Однако, за исключением области Млечного Пути, ночное небо
выглядит очень темным, что явно противоречит всему вышеска-
занному. (Это рассуждение не вполне корректно, поскольку в нем
не учитывается возможность экранировки света удаленных звезд
62
более близкими звездами, расположенными на пути света. Этот
эффект уменьшает предсказываемую яркость неба до уровня
средней яркости поверхности звезды. В таком случае ночное небо
должно быть почти столь же ярким, как Солнце.)
Ольберс пытался разрешить этот парадокс, предполагая, что
пространство заполнено разреженной поглощающей средой. Та-
кое объяснение, однако, ничем не обосновано по той причине,
что газ, расположенный на луче зрения, поглощая излучение,
должен был бы нагреваться до температуры, при которой он из-
лучал бы столько же энергии, сколько поглощал,-следовательно,
никакого уменьшения среднего уровня интенсивности излучения
не должно было бы происходить.
Парадокс Ольберса можно объяснить на основе современных
теорий, объясняющих природу излучения звезд. Полное излуче-
ние Вселенной ограничено количеством имеющегося в ней водо-
рода. Если бы даже большая часть вещества Вселенной «сгора-
ла» в ядерных реакциях, протекающих в недрах звезд, их
светимости едва ли хватило бы на то, чтобы яркость ночного не-
ба была сравнима с яркостью Млечного Пути.
Звезды существуют не вечно; их время жизни, в течение кото-
рого они излучают, ограничено, и это ограничивает плотность
создаваемого ими излучения. Конечно, маловероятно, чтобы
большая часть вещества Вселенной уже израсходовалась в тер-
моядерных процессах, происходящих в звездах; например, Солн-
це все еще в основном состоит из водорода, и это вполне типич-
ная ситуация для большинства звезд Млечного Пути. Таким
образом, вклад звезд в яркость ночного неба не может превы-
шать лишь некоторую долю яркости Млечного Пути.
Парадокс Ольберса можно объяснить и иначе, приняв во вни-
мание красные смещения света далеких галактик. Красное сме-
щение означает потерю энергии, а свет удаленных галактик ис-
пытывает очень большое красное смещение. Следовательно,
вклад света, испытавшего красное смещение, в яркость ночного
неба соответственно уменьшается. Рассуждая таким образом, мы
снова можем согласовать наблюдаемую темноту ночного неба
с теоретическими предсказаниями.
Чтобы сделать выбор между этими двумя объяснениями, сде-
лаем одно интересное замечание относительно парадокса Оль-
берса; суть его состоит в том, что, исходя из яркости ночного не-
ба, можно получить существенное ограничение на светимость
далеких галактик. Удаленные галактики - это очень молодые
и активные звездные системы. Согласно теоретическим моделям
эволюции галактик, они должны обладать очень высокой свети-
мостью. Вполне вероятно, что даже в инфракрасной области
спектра, как и в видимом диапазоне длин волн, ночное небо зна-
чительно темнее Млечного Пути. Если смотреть из Млечного
Пути в направлении полюсов нашей Галактики, то небо явно вы-
глядит гораздо темнее, чем Млечный Путь. Мы не знаем точно,
63
каков вклад света внегалактического происхождения в яркость
ночного неба; оценки этого вклада затруднены главным образом
из-за зодиакального света и свечения атмосферы. Однако нет
сомнений, он весьма невелик - всего лишь около 1% от яркости
Млечного Пути. Чтобы согласовать теоретические оценки ярко-
сти ночного неба с ее наблюдаемой величиной, астрономы
вынуждены были признать, что большая часть дошедшего до нас
света молодых галактик испытала существенное красное смеще-
ние. Таким образом, современное разрешение парадокса Ольбер-
са состоит в том, что высказанное им предположение о бесконеч-
ной статической вселенной неверно. Любая удачная космологиче-
ская теория должна быть в состоянии объяснить парадокс
Ольберса, и теория Большого взрыва удовлетворяет этому фун-
даментальному требованию, вытекающему из наблюдений.
ПРИНЦИП МАХА:
ПОНЯТИЕ ИНЕРЦИИ
Оказывают ли далекие звезды какое-либо влияние на локальные
свойства вещества? Этот вопрос, несмотря на свой, казалось бы,
астрологический характер, играл важную роль в космологиче-
ской концепции Эйнштейна. Чтобы ответить на него, мы должны
сравнить представление Ньютона об абсолютном пространстве
с идеями, выдвинутыми в конце XIX в. австрийским физиком
Эрнстом Махом. Представим себе, как Ньютон мог бы измерить
скорость вращения Земли. Наверное, он воспользовался бы чисто
наземным экспериментом, например проследил бы за прецессией
плоскости колебаний маятника и, исходя из этого, сделал бы вы-
вод о вращении Земли относительно локальной системы отсчета.
Такую систему отсчета называют инерциальной системой, пото-
му что видимое движение тела в ней определяется его собствен-
ной инерцией (если на него не действует никакая сила, оно про-
должает двигаться прямолинейно и равномерно). Представим
себе современный вариант этого эксперимента: спутник связи за-
пускают на синхронную орбиту вокруг Земли - орбиту, двигаясь
по которой спутник остается неподвижным относительно поверх-
ности Земли. Для этого его орбитальная скорость должна быть
равна скорости вращения Земли; если бы Земля не враща-
лась, спутник не мог бы оставаться неподвижным относитель-
но нее.
Мах понял, что измерения по Ньютону носят абсолютно ло-
кальный характер и не имеют отношения к остальной Вселенной.
В отличие от Ньютона Мах, чтобы измерить вращение Земли,
мог бы в принципе внимательно наблюдать ночное небо и сле-
дить за видимым движением звезд. Он мог бы определить ско-
64
рость вращения Земли с помощью глобального (иначе говоря,
астрономического) измерения.
То обстоятельство, что столь разные измерения должны дать
один и тот же результат, произвело на Маха глубокое впечатле-
ние. Он заявил, что закон Ньютона ничего не говорит о связи
между локальной и инерциальной системами отсчета, а касается
только локальной системы. Пытаясь объяснить причину отме-
ченного совпадения, Мах утверждал, что должна быть причинная
связь между движением далеких звезд и локальной инерциальной
системой отсчета. Сейчас нам совершенно очевидно, что локаль-
ная инерциальная система отсчета не влияет на движение отда-
ленных звезд. Но, как считал Мах, справедливо обратное утвер-
ждение: инерция любого тела определяется распределением
материи во Вселенной.
Соображения, высказанные Махом, оказали большое влияние
на Эйнштейна. Однако общая теория относительности Эйнштей-
на не согласуется с принципом Маха, и многие космологи, вклю-
чая самого Эйнштейна, тщетно пытались включить в свои тео-
рии принцип Маха. Тем не менее некоторые вполне приемлемые
космологические модели, вытекающие из общей теории относи-
тельности, удовлетворяют принципу Маха, если сформулировать
его в более ограниченном виде: существует предпочтительная
локальная система отсчета, в которой разбегание удаленных га-
лактик изотропно.
Астрономам фактически удалось провести эксперимент, ко-
торый позволил обнаружить эту предпочтительную систему от-
счета. Можно считать, что космическое фоновое излучение не-
разрывно связано с наиболее удаленными областями Вселенной,
в которых оно образуется. Эти области совпадают с системой
отсчета, относительно которой происходит всеобщее изотропное
расширение Вселенной. С экспериментальной точки зрения это
выглядит так: в направлении нашего движения средняя длина
волны излучения будет слегка смещена в голубую часть спектра.
В противоположном направлении средняя длина волны испытает
небольшое красное смещение (рис. 25). Поскольку мы имеем де-
ло с равновесным излучением типа излучения черного тела, то
малые изменения в длине волны эквивалентны малым измене-
ниям температуры. Такой эффект действительно был обнаружен.
Температура фонового излучения измерялась с точностью около
0,001 К (градус по шкале Кельвина). Замечены небольшие откло-
нения от изотропии излучения - около 0,1%, что соответствует
ожидаемому отклонению, в случае если Земля движется относи-
тельно космической системы отсчета, связанной с фоновым
излучением.
На основании теоретических рассмотрений мы не можем до-
статочно четко представить себе движение Земли по отношению
к далеким областям Вселенной. Как показано на рис. 23, Земля
обращается вокруг Солнца, Солнце движется по своей галактиче-
3-896
65
Рис. 25. Крупномасштабная структура Вселенной
Карта подсчетов галактик в северной галактической полусфере. Она включает
почти миллион галактик вплоть до 19-й звездной величины. Северный галакти-
ческий полюс находится в центре, а галактический экватор располагается на гра-
нице. Степень белизны каждого пятнышка на карте соответствует числу галак-
тик, подсчитанных в квадратах, имеющих 10' в поперечнике (около 1/3 видимого
диаметра Солнца); черные участки соответствуют отсутствию галактик. Замет-
ная деталь вблизи центра-скопление галактик Кома. Хотя на карте выделяется
много скоплений и систем галактик, очень хорошо видна однородность распре-
деления галактик в больших масштабах.
Рис. 26. Анизотропия фонового излучения
Представим себе два космических корабля, один из которых (Л) движется
с большой скоростью в направлении к скоплению звезд, а другой (Б) удаляется
от этого скопления. С корабля А звезды кажутся расположенными в простран-
стве более тесно, а свет от них смещен в голубую часть спектра; с корабля
Б звезды выглядят широко разбросанными в пространстве, и их свет смещен
в красную часть спектра. Эти эффекты существенны только при условии, если
космические корабли движутся со скоростью, близкой к световой. Однако ана-
логичный эффект наблюдается и в случае фонового излучения. С движущегося
объекта фоновое излучение кажется более интенсивным в направлении движе-
ния; тепловая природа излучения сохраняется, но оно становится более горячим
(т. е. его эффективная температура оказывается выше). И наоборот, при движе-
нии объекта в противоположном направлении излучение кажется более хо-
лодным. Как и доплеровское смещение частоты, величина относительного изме-
нения эффективной температуры излучения определяется отношением скорости
наблюдателя к скорости света.
з*
ской орбите, а Галактика движется через Местную группу галак-
тик. Учитывая все эти движения, мы находим, что в результате
наша измеренная скорость относительно названной космической
системы отсчета составляет около 600 км/с и направлена в сто-
рону скопления Девы. Местная группа как целое, возможно, дви-
жется к скоплению Девы или по крайней мере по направлению
к сверхгалактической плоскости -плоскости, в которой наиболее
велика концентрация соседних к нам галактик.
Подобный вывод в принципе можно проверить оптическими
измерениями локального распределения красных смещений га-
лактик. Пока еще не ясно, согласуются ли результаты, полу-
ченные из измерений красных смещений, с результатами предше-
ствовавших измерений. Однако подобного рода измерения всег-
да Относятся к системе отсчета, более локальной, чем система,
определяемая космическим фоновым излучением. Неоднородно-
сти в распределении галактик могли бы привести к суще-
ственным возмущениям в локальном поле скоростей. Но фоно-
вое излучение уникально в том смысле, что оно тесно связывает
нас с космической системой отсчета, определяемой крупномас-
штабным распределением вещества во Вселенной. Успех экспери-
мента по обнаружению анизотропии микроволнового фонового из-
лучения дает нам количественное определение локальной инер-
циальной системы отсчета и современную интерпретацию
принципа Маха1.
В этой главе мы познакомились с космологической шкалой
расстояний, начиная со сравнительно близких планет и кончая
самыми глубокими областями пространства, которые можно ис-
следовать с помощью телескопов при использовании баз, срав-
нимых с радиусом Земли. Мы увидели, что эти наблюдения по-
зволяют определить расположение Земли в пространстве,-уста-
новили нашу космологическую систему отсчета. Распределение
скоростей далеких галактик явно указывает на расширение Все-
ленной, что свидетельствует в пользу теории Большого взрыва.
В следующей главе мы проследим развитие современной кос-
мологической шкалы времени и представим дополнительные ар-
гументы в пользу теории Большого взрыва.
1 Систему отсчета, предлагаемую в тексте, конечно, можно выбрать. Но
надо подчеркнуть, что эта система только удобна, но отнюдь не физически пре-
имущественна. В любой другой системе отсчета, свободно движущейся в данном
месте относительно избранной, физические законы, силы инерции и т.д. будут
точно такими же как и в первой. Таким образом, возможность выбора удобной
системы отсчета, связанной с галактиками, вряд ли следует связывать с физиче-
скими идеями Маха-Прим. ред.
СВИДЕТЕЛЬСТВА В ПОЛЬЗУ
БОЛЬШОГО ВЗРЫВА
Измерения эффективной температуры шумов в макси-
муме диаграммы направленности 20-футовой рупорной
антенны-рефлектора, проведенные в лаборатории Кро-
форд-Хилл (Холмдел, Нью-Джерси) на частоте
4080 МГц, дали величину, приблизительно на 3,5 К пре-
вышающую ожидаемую. Излучение, соответствующее
этой избыточной температуре, в пределах точности
наших наблюдений оказалось изотропным, неполяризо-
ванным и не подверженным сезонным вариациям.
Арно Пензиас и Роберт Вилсон
Основное положение теории Большого взрыва заключается
в том, что около 20 млрд, лет назад любые две точки в наблю-
даемой Вселенной были сколь угодно близки друг к другу. Плот-
ность вещества в этот момент была бесконечна. Мы уже упоми-
нали об этом начальном моменте Большого взрыва, называя его
сингулярностью. Как узнать, когда это произошло? Существова-
ла ли Вселенная до этого момента? Если да, то, очевидно, она
могла бы существовать и бесконечное время.
ВОЗРАСТ ВСЕЛЕННОЙ
Весьма странно, что теория Большого взрыва может в какой-то
степени ответить на первый вопрос, но абсолютно не способна
ответить на второй. Поэтому под возрастом Вселенной мы бу-
дем понимать интервал времени, отделяющий нас от Большого
взрыва. Мы не исключаем возможности предшествующей фазы
в жизни Вселенной, но по существу ничего сказать о ней не
можем.
Удаленные галактики разбегаются друг от друга с огромны-
ми скоростями. Чем дальше галактики, тем больше скорость их
удаления. Совокупность галактик находится в состоянии расши-
рения. Имеем ли мы дело с «взрывом наружу», подобным взры-
ву бомбы, и «взрыв вовнутрь» никогда не произойдет или же га-
лактики в конце концов снова упадут друг на друга-это вопрос
еще не решенный, и мы обсудим его позднее (гл. 5 и 17). Однако
данный вопрос имеет очень слабое отношение к ранним эпохам
существования Вселенной, когда шел взрывной процесс возник-
новения элементарных частиц и испускания излучения из состоя-
ния с бесконечной плотностью.
69
Попытаемся нарисовать наглядную картину начального рас-
ширения, представив себе огромный пчелиный рой, втиснутый
в крошечный улей. Внезапно пчеловод убирает улей-и пчелы
стремительно разлетаются во всех направлениях. Каждая кон-
кретная пчела видит, что все ее соседи удаляются друг от друга.
Предположим, что все пчелы летят по прямым линиям, но в слу-
чайных направлениях. Пчелиный рой будет неудержимо расши-
ряться, охватывая все больший объем, и самые быстрые окажут-
ся дальше всех. Скорость каждой пчелы связана простым
соотношением с пройденным ею расстоянием: скорость равна
расстоянию, деленному на протекший интервал времени.
Галактики, или по крайней мере атомы, из которых они со-
стоят, должны были начать свое расширение подобным образом.
Невероятно сконцентрированное плотное вещество стремительно
разлеталось во всех направлениях. В ходе расширения вещество
должно было конденсироваться в некие образования, имеющие
размеры галактик, которые в конце концов распадались на
звезды. Обсуждению этих эволюционных процессов в ранней
Вселенной почти целиком посвящены главы 6-13.
Мы можем датировать начальный момент расширения Все-
ленной, рассчитав просто-напросто время, протекшее с тех пор,
когда любые две галактики, которые мы сегодня наблюдаем раз-
бегающимися, «соприкасались» друг с другом. Ясно, что боль-
шую часть своей жизни галактики находились вдали друг от дру-
га. Пока мы не будем вдаваться в детали эволюции галактик
в течение того времени, когда они находились в тесном контакте
друг с другом, поскольку эта фаза охватывает лишь малую часть
их сегодняшнего возраста. Поэтому возраст Вселенной по поряд-
ку величины оценивается отношением относительного расстоя-
ния к относительной скорости пары галактик. Согласно закону
Хаббла, скорость разбегания галактик равна постоянной Хаббла
Н, умноженной на расстояние между галактиками. Как и в при-
веденной аналогии с роем пчел, время, протекшее от начала рас-
ширения, равно просто 1/Н, если скорости галактик не менялись
в течение времени.
Современные астрономы благодаря определенным техниче-
ским усовершенствованиям измерили константу Н более точно,
чем это мог сделать Хаббл. Различные индикаторы расстояний
(переменные звезды - цефеиды, звезды, обладающие высокой све-
тимостью, яркие туманности и эллиптические галактики) были
заново измерены с существенно более высокой точностью в раз-
личных типах галактик. Шкала расстояний протянулась до более
далеких галактик. Но и по самым последним данным простая
обратно пропорциональная связь между скоростью и временем
приблизительно выполняется; принятое сегодня значение вели-
чины 1/Н составляет около 20 млрд, лет, хотя по данным
Хаббла временная шкала была гораздо короче-всего лишь
10 млрд. лет.
70
1IH
Рис. 27. Возраст Вселенной
Измерение постоянной Хаббла Н позволяет оценить время, прошедшее с мо-
мента Большого взрыва. В закрытой модели возраст Вселенной меньше 1/311,
в открытой модели он равен просто 1/Н. Современные наблюдения указывают
на то, что отношение 1/Н равно примерно 20 млрд. лет.
Поскольку величина Н столь мала, скорости разбегания бли-
жайших к нам галактик незначительны и их расширение трудно
обнаружить на фоне локальных движений галактик, входящих
в Местную группу галактик. Эта система включает в себя нашу
Галактику, Млечный Путь, несколько ее спутников, испытываю-
щих сильное гравитационное влияние Млечного Пути, а также
галактику Андромеды с ее спутниками. Эти галактики движутся
по орбитам вокруг друг друга, поэтому они не принимают уча-
стия в всеобщем расширении более далеких галактик.
Кроме того, скорости галактик меняются со временем, по-
скольку космическое расширение либо ускоряется, либо замед-
ляется. Это изменение скорости могло бы повлиять на нашу
оценку, согласно которой 1/Н есть время, протекшее с момента
Большого взрыва. Фактически величина 1/Н дает хорошее при-
ближение возраста «открытой вселенной». Однако возраст «зам-
кнутой вселенной», которой суждено испытать обратное сжатие,
на самом деле должен быть меньше 1/Н. Если Вселенная «закры-
та», то ее возраст приблизительно равен 2/3 Н~ 1, т.е. составляет
около 13 млрд, лет-при условии стандартного значения вели-
чины Н (рис. 27).
71
КОСМИЧЕСКАЯ
ШКАЛА ВРЕМЕНИ
Теперь попробуем сравнить этот возраст Вселенной с другими,
независимыми масштабами времени. Чтобы определить возраст
самых старых земных горных пород и метеоритов, использова-
лась естественная радиоактивность урана. Изотоп урана 238U,
содержащий 92 протона и 146 нейтронов, медленно распадается,
превращаясь в изотоп свинца. Поскольку уран радиоактивен,
энергия, обусловленная ядерными силами, которые удерживают
ядро урана, в процессе его распада испускается в виде излучения
(это альфа-частицы, или ядра гелия) до тех пор, пока не обра-
зуется новое стабильное ядро. Это происходит, когда 238U, рас-
падаясь, превращается в изотоп свинца 20бРЬ, содержащий 82
протона и 124 нейтрона. Время полураспада 238и (т. е. время, за
которое, например, грамм этого изотопа превратится в результа-
те радиоактивного распада в полграмма) составляет 4510 млн.
лет. Зная первоначальное количество изотопа свинца и определив
сегодняшние содержания 238U и 20бРЬ, мы можем рассчитать
первоначальное количество 238U и тем самым определить воз-
раст горных пород. На практике, сравнивая образцы пород с раз-
личными отношениями «свинец: уран», мы можем устранить
трудность, возникающую при необходимости определить перво-
начальное содержание 206РЬ. Этим методом было установлено,
что самые древние из известных земных горных пород (обнару-
женные в Гренландии) имеют возраст около 3,9 млрд. лет.
Возраст Солнечной системы оценивается примерно в 4,6 млрд,
лет. Эта цифра получена путем определения возраста самых
старых метеоритов (рис. 28). Самые старые лунные породы, как
было установлено американскими астронавтами во время поле-
тов космических аппаратов серии «Апполон», имеют тот же воз-
раст. Эти исследования позволяют сделать вывод, что все пла-
неты образовались за период времени, не превышающий
100 млн. лет, и произошло это около 4,6 млрд, лет назад
(табл. 4).
Метод радиоактивного датирования можно использовать для
определения возраста урана в недрах Земли, если мы знаем соот-
ношение различных изотопов урана на то время, когда образо-
вался или, лучше сказать, синтезировался уран. Это соображение
позволяет получить не возраст Земли, а только возраст самого
урана, который зависит от темпа синтеза тяжелых элементов
в Галактике. Этот темп оценивается с очень большой неопреде-
ленностью, поскольку он зависит от детальных моделей эволю-
ции галактик; однако именно таким методом была получена
оценка, согласно которой уран должен был синтезироваться
около 10 млрд, лет назад.
72
'-'v чАц-’ *
Рис. 28. Метеориты
Метеориты бывают трех основных типов: железные (а), каменные (б) и гибрид-
ной разновидности-железокаменные (в). Наиболее старые метеориты относятся
к каменным, возраст некоторых из них оценивается примерно в 4,6 млрд. лет.
Это самые старые из всех известных объектов Солнечной системы.
Рис. 29. Возраст звезд
Возраст звезд можно установить из диаграммы Герцшпрунга-Ресселла, по-
казывающей зависимость светимости звезд (в единицах солнечной светимости)
от их поверхностной температуры или, что эквивалентно, от цвета или спек-
трального класса. Фаза горения водорода в звезде (главная последовательность)
указана для звезд с массами 0,3-30 солнечных масс. Чем больше светимость
звезды, тем быстрее она исчерпывает свои запасы водорода и тем короче про-
должительность ее пребывания на главной последовательности. В более старых
скоплениях старые маломассивные звезды уже покинули главную последова-
тельность. Однако в молодых скоплениях только массивные звезды покинули
главную последовательность. Положение точки, в которой звезда уходит с глав-
ной последовательности, дает нам ключ к определению возрастов многих
звездных скоплений. Звезды, расположенные в верхней правой области диа-
граммы, очень яркие, но холодные, следовательно, они должны обладать весьма
большими радиусами. Эти так называемые красные гиганты, покидая главную
последовательность, вступают в следующую фазу звездной эволюции, когда
температура в ядре звезды становится настолько высокой, что в нем начинается
горение гелия. Когда примерно через 5 млрд, лет Солнце станет красным гиган-
том, его радиус увеличится в 1000 раз и Солнце охватит внутренние планеты.
В конце концов, когда запасы ядерного горючего полностью исчерпываются,
красные гиганты превращаются в белых карликов, которые расположены на
диаграмме в нижней левой области.
Таблица 4
КОСМИЧЕСКАЯ ШКАЛА ВРЕМЕНИ
Космическое время	Эпоха	Красное смешение	Событие	Время от сегод- няшнего момента	
0 1(Г43 с 10'6 с 1 с 1 мин 1 неделя 10 000 лет 300 000 лет 1-2 млрд.лет 3 4 4,1 5	»	П 10 15,2 „ 15,3 "	Сингулярность Планковский момент Адронная эра Лептонная эра Радиационная эра Эра вещества Эпоха отделе- ния излучения от вещества	Бесконечное Большой взрыв 1032	Рождение час- тиц 1013	Аннигиляция протон-антипро- тонных пар 1О10	Аннигиляция электрон-пози- тронных пар 109	Ядерный синтез гелия и дейтерия 107	Излучение к этой эпохе термали- зуется 104	Во Вселенной начинает доми- нировать ве- щество 103	Вселенная ста- новится про- зрачной 10-30	Начало образо- вания галактик 5	Галактики на- чинают образо- вывать скопле- ния Сжатие нашей протогалактики Образуются первые звезды 3	Рождение ква- заров, образова- ние звезд насе- ления II 1	Образование звезд населе- ния I Образование межзвездного облака, давшего начало Солнеч- ной системе Сжатие прото- солнечной ту- манности		20 млрд. 20 " 20 " 20 " 20 " 20 " 20 " 19,7 " 18-19 " 17 " 16 " 15,9 " 15 " 10 " 4,8 " 4,7 "	лет W ч ч Ч и ч Ч ч W ч ч ч ч ч ч
75
Космическое время	Эпоха	Красное смещение	Событие	Время от сегод- няшнего момента
15,4	и		Образование	4,6
			планет, затвер-	
			дение пород	
15,7	"			Интенсивное об-	4,3
			разование кра-	
			теров на плане-	
			тах	
16,1	" Археозойская		Образование са-	3,9
	эра		мых старых	
			земных пород	
17	и		Зарождение	3	"	"
			микроорганиз-	
			мов	
18	" Протозойская		Возникновение	2	"	"
	эра		атмосферы, бо-	
			гатой кислоро-	
			дом	
19	" Палеозойская		Зарождение	|	п	//
	эра		макроскопиче-	
			ских форм	
			жизни	
19,4 "	и		Самые ранние	6000 млн.лет
			окаменелости	
19,55 "	и		Первые расте-	450
			ния на суше	
19,6	"	If		Рыбы	400	"
19,7	"	И		Папоротники	300
19,75 "	" Мезозойская		Хвойные, обра-	250
	эра		зование гор	
19,8	"	tt		Рептилии	200
19,85	Кайнозойская		Динозавры,	150
	эра		дрейф конти-	
			нентов	
19,95 "	U		Первые млеко-	50
			питающие	
20	//		Человек (Ното	2	"	"
			sapiens)	
Подобный масштаб времени можно независимо получить из
теории звездной эволюции, применяя ее к звезде, масса которой
известна. Полный запас водорода в ядре звезды определяет све-
тимость звезды с заданным химическим составом. Таким обра-
зом, мы можем оценить возраст звезды, зная ее массу (рис. 29);
оказалось, что возраст самых старых звезд в Галактике соста-
вляет около 15 млрд, лет (рис. 30). Эта временная шкала застави-
76
Рис. 30. Шаровое скопление М 3
Шаровое скопление МЗв созвездии Гончих Псов является одним из самых яр-
ких видимых скоплений. Оно содержит около 1 млн. звезд. Возраст этих звезд
составляет примерно 15 млрд. лет.
ла нас отдать предпочтение меньшему значению Н, чем приня-
тое нами ранее (гл. 3); в противном случае возраст самых старых
звезд оказался бы несколько больше, чем период времени, про-
шедший с момента Большого взрыва. Несмотря на неопределен-
ность в величине Н, эти независимо определенные временные
масштабы удивительно близки (табл. 5). Может ли это совпаде-
ние быть всего лишь случайным?
Таблица 5
ДАТИРОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ
Метод	Объект	Возраст, млрд, лет
Соотношение скорость- расстояние	Галактики	10-20
Радиоактивное датирование	Лунные породы, старейшие метеориты	4,6
Радиоактивное датирование и модели эволюции галактик	Уран и изотопы урана	10
Модели звездной эволюции	Старейшие звезды Млечного Пути	15
Большинство астрономов считает, что это совпадение свиде-
тельствует в пользу конечного возраста Вселенной. На протяже-
нии многих лет временные масштабы, казалось, противоречили
друг другу. Из-за различных ошибок и неопределенностей, не-
известных тогда Хабблу, первоначально полученное им значение
Н в десять раз превышало современное значение этой величины.
Одна из ошибок объяснялась путаницей с двумя различными ти-
пами цефеид, которые обладали одинаковыми периодами, но
разными светимостями (см. рис. 16). Используя первоначально
полученное Хабблом значение Н, астрономы произвели расчеты:
возраст Вселенной оказался существенно меньше возраста Земли.
Это несоответствие послужило одной из главных причин появле-
ния теории стационарной вселенной. Но когда в 50-х годах Валь-
тер Бааде и Алан Сэндидж установили современную шкалу рас-
стояний, несоответствие во временной шкале было устранено,
и теперь уже не требовалось теории стационарной вселенной,
чтобы совместить друг с другом известные астрономические
данные. Однако, прежде чем теория Большого взрыва была безо-
говорочно принята в качестве теории происхождения Вселенной,
необходимо было получить более убедительное свидетельство
в ее пользу. Это свидетельство не заставило себя долго ждать
и в 60-х годах пришло из очень молодой отрасли астрономии —
радиоастрономии.
78
РАДИОГАЛАКТИКИ
Астрономы древности были весьма ограничены тем, что могли
вести наблюдения лишь в оптическом (видимом) диапазоне спек-
тра излучения. Этот диапазон (4000-8000 А) составляет всего
лишь малую часть спектра возможных длин волн. Современные
астрономы разработали различные методы, сделавшие до-
ступным исследованию невидимый спектр. Это гамма-астроно-
мия (на волнах короче 0,01 А), рентгеновская (0,01—100 А), ультра-
фиолетовая (100-4000 А), инфракрасная (8000-Ю7 А), микровол-
новая астрономия (0,1-10 см) и радиоастрономия (10 см-100 м
и больше). Многие из этих областей астрономии впервые полу-
чили развитие в 70-х годах, так как наблюдения в этих диапазо-
нах длин волн можно проводить только в открытом космиче-
ском пространстве. Например, излучение в рентгеновском
и ультрафиолетовом диапазонах не проникает сквозь земную ат-
мосферу (рис. 31). Это весьма счастливое обстоятельство, по-
скольку иначе жизнь на Земле была бы уничтожена ультрафиоле-
товым излучением Солнца. До 1970 г. астрономы не имели
возможности изучать эти спектральные диапазоны и важная ин-
формация о Вселенной оставалась недоступной.
Ограниченность астрономии видимой областью электромаг-
нитного спектра имела целый ряд следствий. Так, в оптических
длинах волн можно исследовать лишь ближайшие к нам области
Млечного Пути. Млечный Путь содержит огромное количество
межзвездного газа и пыли. Считается, что маленькие твердые ча-
стицы межзвездной пыли состоят из графита и очень твердого
материала, похожего на кварц, а характерные размеры этих ча-
стиц сравнимы с длиной волны света. Такие пылинки сильно рас-
сеивают и поглощают электромагнитное излучение с длиной
волны, сравнимой с их размерами. Следовательно, астрономы,
ведущие наблюдения в оптическом диапазоне, могут видеть
в плоскости Млечного Пути не далее чем на несколько тысяч
световых лет, хотя случайно попадаются «дыры», через которые
можно заглянуть поглубже. Однако наша Галактика почти абсо-
лютно прозрачна для волн радио-, инфракрасного и рентгенов-
ского диапазонов. Радиоастрономы повседневно изучают цен-
тральное ядро нашей Галактики - область, которую невозможно
заснять фотокамерой с земного телескопа.
Вне Млечного Пути оптические наблюдения удается произво-
дить на больших расстояниях и тем самым изучать далекие га-
лактики. Однако развитие радиоастрономии в 50-х годах позво-
лило заглянуть в новые глубины Вселенной: было обнаружено
много очень далеких внегалактических источников, при этом по-
мехи, вносимые нашей собственной Галактикой, были незначи-
тельны. Внегалактические радиоисточники обычно не испускают
спектральные линии, характерные для излучения горячего газа;
их излучение имеет непрерывный спектр, в котором нет какой-
79
Энергия фотонов эрг
Рис. 31. Прозрачность земной атмосферы для излучения
Излучение с длинами волн, соответствующими ультрафиолетовому, рентгенов-
скому, инфракрасному и микроволновому диапазонам спектра, как правило, не
достигает поверхности Земли из-за поглощения в верхней атмосфере, обусло-
вленного молекулами озона, кислорода и водяного пара.
либо выделенной частоты, и напоминает шум или атмосферные
помехи. Тем не менее в спектре радиоизлучения встречаются
и отдельные линии. Наиболее хорошо изучена линия на волне
21 см, соответствующая излучению водорода, но эти линии срав-
нительно слабы, и их нелегко измерить в излучении, приходящем
от очень далеких галактик. Некоторые космические источники
радиоволн удается отождествить с галактиками, наблюдаемыми
в оптическом диапазоне, что позволяет определить расстояния
до этих объектов. Однако во многих случаях не обнаруживается
никаких оптических двойников, и тогда радиоастроном обра-
щается к простому приему подсчета радиоисточников с тем,
чтобы извлечь космологическую информацию из «радионеба».
Известно, что в нашей Галактике число звезд, доступных на-
шему наблюдению, растет по мере того, как мы получаем воз-
можность видеть все более слабые звезды. Даже в маленький те-
лескоп Млечный Путь выглядит неизмеримо богаче, чем мы его
видим невооруженным глазом. Рост числа звезд с расстоянием
на самом деле подчиняется простому закону, который является
80
Рис. 32. Карта радиоисточников
Эта карта небольшого участка неба была получена с помощью радиотелескопа
(Кембридж, Англия) диаметром 1,6 км; на самом деле он состоит из нескольких
радиотелескопов меньшего диаметра, которые ведут наблюдения в фазе.
Каждый набор пиков соответствует радиогалактике или квазару. Здесь зафикси-
ровано гораздо больше слабых радиоисточников, чем обычно удается наблю-
дать на подобных картах радионеба. Поскольку слабые источники расположены
на больших расстояниях и мы видим их такими, какими они были в далеком
прошлом, напрашивается вывод, что в прошлом радиогалактики были более
многочисленными, чем сегодня.
фундаментальным свойством евклидова пространства: число
звезд должно расти с увеличением размера области, выбранной
для исследования. Чем больше расстояние, тем более слабые
звезды мы можем обнаружить и тем больше общее число звезд.
Конечно, на границе нашей Галактики этот закон нарушается,
поскольку между галактиками звезд сравнительно мало. Хаббл
применил данный принцип к крупномасштабному распределе-
81
нию галактик, чтобы продемонстрировать приблизительную
однородность Вселенной.
Радиоастрономы также надеялись, что смогут обнаруживать
все больше радиоисточников, совершая обзор неба при все более
низком уровне потока радиоизлучения, т. е. при все более слабой
интенсивности радиосигналов. Предположим, что радиоисточни-
ки распределены в пространстве однородно. Согласно закону
обратных квадратов, поток излучения от источника изменяется
обратно пропорционально квадрату расстояния до него. Однако
число источников, обнаружимых вплоть до некоторого уровня
потока, изменяется пропорционально объему сферы, радиус ко-
торой равен расстоянию до самых слабых источников, т.е. про-
порционально кубу расстояния. Другими словами, число источ-
ников должно изменяться обратно пропорционально корню
квадратному из куба расстояния. Это доказательство применимо
даже в том случае, когда источники отличаются по мощности:
любое распределение источников по собственным светимостям
приводит к такому же результату.
Однако в 50-х годах радиоастрономы открыли намного боль-
ше слабых радиоисточников, чем ожидали, исходя из предложе-
ния об однородном распределении источников в пространстве
(рис. 32). По-видимому, это объясняется тем, что удаленные ра-
диогалактики в далеком прошлом-несколько десятков миллиар-
дов лет назад-испускали больше излучения. Другими словами,
был сделан вывод, что многие из наиболее сильных радиоисточ-
ников являются самыми удаленными, и мы наблюдаем их таки-
ми, какими они были очень давно-в максимуме их светимости.
Отсюда мы заключаем, что радиогалактики эволюционируют,
проходя путь от более сильных источников до более слабых за
время, сравнимое с космологическим. Этот вывод по существу
свидетельствует в пользу теории Большого взрыва, центральная
идея которой-эволюция Вселенной. Конкурирующие неэволю-
ционные теории, в частности теория стационарной вселенной, не
могли вместить в себя картину космологической эволюции ра-
диогалактик, и в результате в эти теории перестали верить.
КОСМИЧЕСКОЕ МИКРОВОЛНОВОЕ
ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Пожалуй, самое убедительное свидетельство в пользу теории
Большого взрыва-существование космического микроволнового
фонового излучения, этого остывшего остатка первичного огнен-
ного шара, который представляла собой ранняя Вселенная. Ми-
кроволновое излучение -это радиоастрономический термин, отно-
сящийся к диапазону коротких радиоволн (длина которых
меньше нескольких сантиметров). Конечно, длины волн оптиче-
ского излучения намного короче, чем у радиоволн, и микровол-
82
новое излучение не видимо человеческим глазом, да и заметного
теплового эффекта оно обычно не производит, если только его
интенсивность не слишком велика. Вселенная - это щедрый ис-
точник излучения микроволнового диапазона. Интенсивность
этого излучения сравнима с яркостью Млечного Пути, если
представить себе, что Млечный Путь охватывает все небо. Одна-
ко человеку это космическое излучение, вероятно, не причиняет
никакого вреда, поскольку поток его энергии, поглощаемый от-
дельным индивидом, ничтожен: он составляет около 10“ 5 Вт,
т.е. всего лишь одну десятимиллионную мощности, потребляе-
мой 100-ваттной электрической лампочкой.
В действительности, чтобы детектировать это излучение, тре-
буется очень сложная, хотя и небольшая по размерам радиоан-
тенна в виде рупора, которая должна обеспечивать беспрецедент-
ную точность измерений. Впервые использованная антенна
такого типа была разработана в лаборатории фирмы «Белл теле-
фон» в Холмделе (шт. Нью-Джерси) и предназначалась для осу-
ществления связи со спутниками. В 1965 г. радиоастрономы Ар-
но Пензиас и Роберт Вилсон провели серию измерений с этим
радиотелескопом (рис. 33). Они обнаружили дополнительный ра-
диошум, который, оказалось, не зависел от того, куда была на-
правлена антенна. Тщательно откалибровав свой телескоп и ис-
ключив тем самым возможность земного происхождения этого
радиосигнала, они пришли к выводу, что наблюдаемое излучение
одинаково во всех направлениях. Интенсивность излучения не
увеличивалась, например, в направлении Солнца или Млечного
Пути, поэтому оно не могло иметь ни солнечное, ни галактиче-
ское происхождение.
Космологическое значение обнаруженного фонового излуче-
ния было мгновенно оценено группой физиков Принстонского
университета, возглавляемой Робертом Дикке. Столкнувшись
с одним из самых захватывающих моментов в истории совре-
менной физики, Дикке понял, что фоновое излучение может по-
служить самым главным ключом к разгадке происхождения Все-
ленной. Таким образом, Дикке независимо пришел к теории,
предложенной Г. А. Гамовым за десять лет до этого. Гамов
утверждал, что некоторые химические элементы были созданы
в первые минуты Большого взрыва. И как следствие этого по-
всюду должно было сохраниться первичное излучение. Вслед-
ствие космологического расширения оно должно было «охла-
диться» до температуры около 10 К.
Теория Гамова была предана забвению, когда астрофизики
пришли к заключению, что элементы тяжелее гелия не могли
синтезироваться в сколько-нибудь заметном количестве в ходе
Большого взрыва. Однако в конце концов стало очевидным, что
Большой взрыв обеспечивает условия, в которых был вполне ве-
роятен, а может быть, даже неизбежен синтез гелия. Этот эле-
мент, уступающий по своей распространенности только водоро-
83
Рис. 33. Открытие фонового излучения
Чтобы обнаружить (1965 г.) космическое микроволновое фоновое излучение, ны-
нешние лауреаты Нобелевской премии Арно Пензиас (слева) и Роберт Вилсон
использовали рупорную антенну лаборатории фирмы «Белл телефон» (шт. Нью-
Джерси, США). По радиоастрономическим меркам эта антенна очень мала, но
для наблюдения диффузного фонового излучения высокое разрешение не обяза-
тельно. Однако необходимо было разработать чрезвычайно точный метод кали-
бровки антенны; исследователям удалось достигнуть точности, намного превы-
шающей те, что были привычны радиоастрономам.
ду, составляет приблизительно треть массы Вселенной. Кажется
невероятным, чтобы обычные звезды могли синтезировать столь
большое количество гелия в своих недрах. И тот факт, что рас-
пространенность гелия повсюду одинакова, свидетельствует в
пользу его первичного происхождения в ходе Большого взрыва.
Как раз в то время, когда Дикке и его сотрудники занимались
созданием антенны для обнаружения первичного фонового излу-
чения, которое, как они считали, должно иметь место в радио-
диапазоне, они услышали о замечательном открытии Пензиаса
и Вилсона в лаборатории фирмы «Белл телефон». Две группы
ученых одновременно опубликовали результаты своего откры-
тия1 и оценили его значение.
1 За год до открытия Пензиаса и Вилсона появилась работа советских
астрофизиков А. Г. Дорошкевича и И. Д. Новикова, где теоретически показано,
что первичное излучение может быть обнаружено в сантиметровом диапазоне
длин волн, и отмечено, что это явилось бы доказательством «горячего» начала
расширения Вселенной.- Прим. ред.
84
Последующие исследования показали, что космическое ми-
кроволновое фоновое излучение обладает очень высокой сте-
пенью однородности, выше 10“ 3. Такая однородность (или изо-
тропия) говорит о том, что излучение приходит из самых
далеких концов Вселенной. Это вытекает из следующего просто-
го соображения. Любое излучение, возникающее вблизи Солнца,
в нашей Галактике или даже в соседних галактиках, несомненно,
было бы распределено неравномерно. Поэтому мы и считаем,
что источники космического фонового излучения равномерно
распределены по пространству. Представим себе, что мы разби-
ли Вселенную на большое число концентрических и равноуда-
ленных друг от друга сферических оболочек, так что центр каж-
дой из них находится на Земле. Тогда количества излучения, при-
ходящего от любой пары соседних оболочек, будут одинаковы,
поскольку площадь сферы растет с увеличением ее радиуса точно
так же, как интенсивность излучения падает. Однородное фоно-
вое излучение должно приходить главным образом из далеких
частей Вселенной, где сосредоточено подавляющее большинство
источников. Нам не надо обращать внимание на близкую к нам
область пространства, откуда может поступать лишь ничтожно
мало излучения. Таким образом, любое изотропное фоновое из-
лучение должно создаваться на космологических расстояниях.
Интенсивность фонового излучения сегодня измерена на мно-
гих длинах волн и обнаружено, что оно обладает спектром, ха-
рактерным для излучения, возникающего в условиях полного
термодинамического равновесия. Когда вещество и излучение на-
ходятся в равновесии друг с другом, их температуры одинаковы.
Представим себе объем, заключенный в такие плотные и непроз-
рачные стенки, что ни тепло, ни излучение не могут сквозь них
пройти. Внутри этого замкнутого объема будет возникать излу-
чение, которое характеризуется температурой стенок. Мы назы-
ваем это поле излучения тепловым (или равновесным) излуче-
нием с данной температурой [4]. Такое излучение характерно
для так называемого черного тела - идеального излучателя
и идеального поглотителя излучения.
Космическое микроволновое фоновое излучение, по-видимо-
му, обладает почти идеальным тепловым спектром (рис. 34).
Чтобы получить этот результат, потребовались измерения с по-
мощью телескопов, установленных на шарах-зондах, поскольку
спектр фонового излучения имеет максимум на длине волны
около 1 мм. Излучение миллиметрового диапазона в земной ат-
мосфере сильно поглощается молекулами водяного пара. Ра-
диоастрономы проводят наблюдения главным образом на более
длинных волнах, поглощение которых земной атмосферой несу-
щественно. Однако космическое фоновое излучение очень интен-
сивно лишь в миллиметровой области спектра. Длина волны
в максимуме его интенсивности соответствует эффективной тем-
пературе всего 3 К выше абсолютного нуля. Это в самом деле
85
Рис. 34. Тепловое излучение
Идеальный, или равновесный, излучатель испускает излучение с характерным
спектром, который зависит только от температуры излучателя. Максимум излу-
чения приходится на длину волны, величина которой обратно пропорциональна
эффективной температуре излучения. Вертикальные линии и затушеванная
область-это экспериментальные результаты, полученные различными астроно-
мами при измерениях в микроволновом и далеком инфракрасном диапазонах.
Фоновое излучение разумно аппроксимировать спектром излучения, харак-
терным для черного тела при температуре 2,9К.
«холодное излучение». Такая низкая температура согласуется
с представлением о том, что наблюдаемое излучение есть
бледный остаток от чрезвычайно горячего первичного огненного
шара, которым была очень ранняя Вселенная.
Если проследить историю Вселенной назад в прошлое, то
температура космического фонового излучения должна расти. Во
все более ранние моменты времени излучение оказывается все
горячее, а Вселенная-все более плотной - вплоть до того момен-
та, когда могло возникнуть это излучение. В то время существо-
вало полное равновесие между веществом и излучением, в ре-
86
зультате излучение и приобрело характер излучения абсолютно
черного тела (измерения не обнаружили в спектре никаких откло-
нений в пределах порядка 10% от спектра черного тела с эффек-
тивной температурой 3 К). Открытие космического фонового из-
лучения следует рассматривать как одно из самых успешных
подтверждений теории Большого взрыва.
ГЕЛИЙ И ДЕЙТЕРИЙ
ВО ВСЕЛЕННОЙ
Имеется ряд убедительных аргументов в пользу того, что опре-
деленные изотопы могли быть синтезированы в период Большо-
го взрыва, как предсказывает теория Большого взрыва. Во-
первых, высокие температуры и плотности, согласно теории
имевшие место в течение первых минут Большого взрыва, весь-
ма благоприятны для синтеза легких элементов. Во-вторых, по-
видимому, не существует никакого другого возможного астрофи-
зического источника, по крайней мере гелия и изотопа водоро-
да -дейтерия. Синтез гелия из водорода и есть тот источник
энергии, благодаря которому звезды светят большую часть своей
жизни. Мы знаем, что лишь малая доля водорода (много меньше
10%) превратилась в гелий в течение всей эволюции нашей Га-
лактики. Более того, во многих других галактиках, как и повсю-
ду в Млечном Пути, мы неизменно обнаруживаем, что 1 атом ге-
лия приходится на 10 атомов водорода. Это однородное
распределение легких элементов совершенно противоположно
распределению более тяжелых элементов, содержание которых
нередко заметно колеблется: так, количество тяжелых элементов
падает по мере удаления от центра нашей Галактики. Тяжелые
элементы могут синтезироваться в сверхновых. Число обнаружи-
ваемых сверхновых растет с увеличением светимости галактик,
и особенно много сверхновых наблюдается вблизи ярких ядер
галактик. Соответствующим образом возрастает и содержание
более тяжелых элементов, синтезированных в сверхновых; одна-
ко в распределении гелия подобной закономерности не обнару-
живается. Это наблюдение может служить косвенным подтвер-
ждением первичного или по крайней мере догалакдического
происхождения гелия.
Дейтерий (тяжелый водород) является неустойчивым изото-
пом и не выдерживает высоких температур, которые достигают-
ся в недрах звезд. Дейтерий не создается в звездах, он только
разрушается там. В нашей Галактике дейтерий наблюдается
в межзвездном веществе, еще не сконденсировавшемся в звезды.
Большинство астрономов сегодня считают, что гелий, как, ве-
роятно, и дейтерий, возник в первые минуты Большого взрыва.
В то время условия были таковы, что неизбежно происходил
ядерный синтез. Синтез дейтерия в начале расширения происхо-
87
дил не так эффективно, как синтез гелия, поскольку дейтерий
сравнительно реже встречается в космическом пространстве:
в межзвездной среде примерно 1 атом дейтерия приходится на
30000 атомов водорода. Возможно представить и другие не-
звездные источники дейтерия на ранних стадиях эволюции Га-
лактики. Однако дейтерий играет важную роль в теории Боль-
шого взрыва, потому что его неустойчивость и низкое содержа-
ние означают, что в отличие от гелия дейтерий «чувствителен»
к выбору космологической модели. Одинаковость исходного со-
держания дейтерия в других галактиках должна подтвердиться
уже в обозримом будущем. И это значительно укрепило бы на-
шу уверенность в справедливости теории Большого взрыва.
Вопросы, связанные с содержанием гелия и дейтерия в косми-
ческом пространстве, мы обсудим в гл. 7, а в гл. 15 рассмотрим
теорию образования тяжелых элементов. К фактам, изложенным
в гл. 3 и 4, мы вернемся, когда речь пойдет об эволюции Вселен-
ной (начиная с гл. 6). Здесь же мы лишь подчеркнем, что наблю-
дения достаточно определенно свидетельствуют в пользу теории
Большого взрыва, и сейчас астрономы формулируют вопросы
в рамках различных моделей Большого взрыва, решение ко-
торых- дело будущих исследований. Но, как мы видели в этой
главе, свидетельства в пользу Большого взрыва появлялись в ос-
новном лишь в последние несколько десятилетий - по мере того,
как новые методы позволяли астрономам исследовать области
пространства, которые в прошлом были недоступны. Мы вправе
испытывать удовлетворение от того, что живем в эпоху, когда
космологические вопросы решаются порой столь неожиданным
образом, что даже величайшие астрономы прошлого не могли
этого предвидеть.
5
КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ
МОДЕЛИ
Итак, совершенно не нужно доказывать, существуют
ли вне неба пространство, пустота и время, потому
что единым является всеобщее место, единым-без-
мерное пространство, которое мы можем свободно на-
звать пустотой, в нем находится бесчисленное множе-
ство миров, подобных тому, на котором мы живем
и прозябаем. Это пространство мы называем беско-
нечным, потому что нет основания, расчета, возмож-
ности, смысла или природы, которые должны были бы
его ограничить...1
Джордано Бруно
Совершенно ясно, что наше пространство конечно, хо-
тя безгранично. Бесконечность пространства просто-
напросто возмущает человеческую мысль.
Бишоп Барнс
Наблюдательные данные, о которых говорилось в гл. 3-4, со
всей определенностью свидетельствуют в пользу модели Боль-
шого взрыва, и большинство космологов сегодня придерживают-
ся этой модели. Доказательство именно такого происхождения
Вселенной явилось революционным шагом, который стимулиро-
вал дальнейшие исследования и открытия по мере того, как
астрономы проверяли следствия этой модели. Но еще многие
фундаментальные вопросы, касающиеся природы Вселенной,
остаются нерешенными, и для объяснения тех свойств Вселенной,
относительно которых у нас еще нет ясности, предлагались раз-
личные модели Большого взрыва. В этой главе мы опишем не-
сколько простых аналогий, которые помогут прояснить эти во-
просы, а затем остановимся на тех альтернативных моделях,
которые по-прежнему сохраняют свою жизнеспособность для
описания реальной Вселенной.
КРИВИЗНА ПРОСТРАНСТВА
Одним из наиболее фундаментальных остается вопрос о природе
пространства. Среди стандартных моделей Большого взрыва две
модели предполагают искривленность пространства. Что это
1 Бруно Джордано. Диалоги. Диалог 5-й книги «О бесконечности, вселен-
ной и мирах». Пер. с итал. А.И. Рубина.-М.: Госполитиздат, 1949, с. 431.
89
Рис. 35. Карта страны Лилипутии
Вообразите, что жители некой страны Лилипутии рассказывают вам, как нари-
совать карту их страны. Города А и В, расположенные на расстоянии в 3 еди-
ницы, взяты в качестве опорных точек. Четыре пути, ведущие от А и В к С и D,
позволяют разместить на карте города С и D и определить расстояния между
С и D. Соответствует ли это расстояние истинному расстоянию в Лилипутии?
Если нет, то отсюда можно сделать вывод, что жители Лилипутии обитают
в искривленном пространстве.
значит? Чтобы наглядно представить концепцию искривленного
пространства, воспользуемся двумерной аналогией. Обратимся
к карте некой мифической страны Лилипутии, изображенной на
рис. 35, где отмечены расстояния между различными «города-
ми». Каким образом мы можем решить, в каком пространстве
существует Лилипутия: в плоском или искривленном? Возьмем
компас и в качестве опорных точек выберем два города: А и В.
Затем очертим окружность радиусом 4 единицы расстояния,
принятые в Лилипутии, с центром в точке А и окружность радиу-
сом 5 таких единиц с центром в точке В: на пересечении этих
окружностей находится город С. Повторим эту процедуру, по-
строив окружности радиусами 12 и 9 единиц, что даст нам точку
D. Если пространство Лилипутии является плоским, то расстоя-
ние между С и D имеет единственное значение, определяемое из
элементарной евклидовой геометрии. Если же фактическое рас-
стояние отличается от «евклидова значения», то мы должны де-
формировать карту так, чтобы получить правильные расстояния.
Но в таком случае Лилипутия уже не может быть плоской.
Составители карт Земли сталкиваются с подобными пробле-
мами, пытаясь построить двумерную карту поверхности земного
шара. Они часто пользуются проекциями Меркатора, которые
искажают формы и размеры географических деталей, особенно
вблизи полюсов; так, например, не одно поколение школьников
90
выросло в заблуждении, будто бы Гренландия-это огромная
территория. Геометрия сферической поверхности и геометрия
плоскости совершенно различны. Но этими двумя типами геоме-
трии не исчерпывается описание двумерных поверхностей: тре-
тий тип геометрии описывает седлообразную поверхность
(рис. 36). Представим себе, что существа, обитающие на раз-
личных поверхностях, пытаются решить задачу: создать двумер-
ную карту, описывающую эти поверхности. Предположим, что
на каждой из поверхностей имеется некоторое число беспорядоч-
но разбросанных островов й обитатель каждой из поверхностей
делает карту и отправляет ее наблюдателю из трехмерного про-
странства (из нашего пространства). Что делает с картами
наблюдатель?
Карта плоского пространства указывает число островов, рас-
пределенных беспорядочно, как этого и ожидает наблюдатель.
Однако карта сферического пространства совершенно другая:
число островов на ней убывает к внешним частям. Это то же ха-
рактерное свойство пространства на сфере, вследствие которого
самые северные страны увеличиваются в размерах при проекти-
ровании поверхности Земли на двумерную карту. Чтобы обнару-
жить беспорядочность распределения островов, карту следует за-
гнуть вверх по краям. Принято говорить, что сферическая
поверхность имеет положительную кривизну. На такой искри-
вленной поверхности длина окружности некоторого кружочка
оказывается несколько меньше, чем произведение 2п на радиус.
Карта седлообразной поверхности носит совершенно проти-
воположный характер: чем ближе к краю карты, тем теснее друг
к другу располагаются острова. Проекция приводит фактически
к сокращению всех расстояний. И чтобы выявилось беспорядоч-
ное распределение островов, карту следовало бы растянуть по
краям. Говорят, что седлообразная поверхность имеет отрица-
тельную кривизну, и длина окружности некоторого кружочка на
этой поверхности превышает произведение 2п на радиус.
Применим теперь наши модели двумерных пространств к на-
блюдаемому распределению галактик в реальном трехмерном
пространстве. Мы должны обобщить наши двумерные понятия
на случай трех измерений. При достаточном воображении это не
так трудно сделать, как кажется. Обратимся, например, к проро-
ческим словам Джордано Бруно: «Центр Вселенной везде и пе-
риферии нет». Конечно, Бруно имел в виду бесконечную Вселен-
ную, и здесь проводить аналогию со сферой нельзя.
Сферическая поверхность конечна: путешественник на такой
поверхности обязательно в конце концов вернется в точку, отку-
да начал свое путешествие. Более того, эта искривленная поверх-
ность не имеет границы. Седлообразная поверхность также не
дает возможности провести достаточно точную аналогию с ре-
альным пространством, поскольку у седлообразной поверхности
есть край, а космологический принцип исключает какую-либо
91
Рис. 36. Искривленное пространство
Понятия, связанные с искривленным пространством, можно проиллюстрировать
с помощью двумерных аналогов. Сферическая поверхность (а) имеет положи-
тельную кривизну. На такой поверхности кратчайшая линия, соединяющая две
произвольные точки, есть большой круг, и эта линия рано или поздно пересе-
кается с любым другим большим кругом. Поэтому здесь невозможно изобра-
зить параллельные линии. Длина окружности круга на сфере меньше 2пг (где
г - радиус окружности), и сумма углов треугольника больше 180° (б). Если попы-
таться построить плоскую карту этой поверхности, то мы должны растянуть ее
у границ (е); расстояния увеличиваются к границам карты искривленного про-
странства медленнее, чем на карте плоского пространства.
Седлообразная поверхность (г) обладает отрицательной кривизной. Крат-
чайшая линия, соединяющая две точки на такой поверхности, представляет со-
бой кривую. Если взять точку вне такой линии, то через нее можно провести
много других подобных линий, которые никогда не пересекутся с первоначаль-
ной линией. (На плоскости только параллельные линии могут не пересекаться
с первоначальной линией.) Длина окружности на такой поверхности больше 2~г
и сумма углов треугольника меньше 180° (б). Если попытаться построить пло-
скую карту поверхности седлообразной формы, то на границах карту придется
собрать в складки (в); расстояния растут здесь в направлении границ быстрее,
чем на карте плоского пространства.
резкую границу в распределении вещества во Вселенной. Чтобы
избавиться от края, можно представить себе поверхность седло-
образной формы, продолженную до бесконечности, а это предпо-
лагает, что если аналогия между седлообразной поверхностью
и Вселенной имеет какой-то смысл, то пространство должно
быть бесконечным.
Математики в действительности распространяют понятия,
связанные с двумерными поверхностями, на трехмерное про-
странство. Установлено три различных типа пространств: сфери-
92
ческое пространство, которое соответствует двумерной поверх-
ности на сфере; плоское пространство, соответствующее плоско-
сти, и гиперболическое пространство, которое соответствует
седлообразной поверхности. Сферическое пространство конечно,
и его называют закрытым пространством. Однако другие про-
странства, подобно их двумерным аналогам, бесконечны
и открыты.
ГОРИЗОНТЫ
Представим себе резиновый шар с большим числом беспорядоч-
но распределенных металлических бусинок, вкрапленных в рези-
ну. Предположим, шар постепенно надувают. Если вообразить
себе, что Вселенная заключена в поверхности шара, то мы имеем
двумерную модель закрытой расширяющейся Вселенной
(рис. 37). Металлическими бусинками в этой модели представ-
лены скопления галактик. Бусинки постепенно удаляются друг от
друга, но вид их распределения при этом не меняется.
Теперь вообразим, что Земля есть точка на этом шаре. На-
блюдатель, расположенный на поверхности, в состоянии сделать
обзор лишь части площади шара. Так и мы на Земле никогда не
сможем увидеть намного большую часть Вселенной, чем видим
сегодня, как бы мы ни усовершенствовали телескопы, потому что
мы ограничены горизонтом наблюдений (рис. 38). Понять эту
идею нетрудно, представив себе, что шар расширяется радиально
с постоянной скоростью. Временно мы не будем учитывать то
усложняющее обстоятельство, что на самом деле расширение
Вселенной замедляется, если принять во внимание гравитацион-
ное притяжение между галактиками. Рассмотрим галактику, от-
стоящую от нас на расстоянии в D световых лет, т. е. свет от нее
дойдет до нас через D лет. Следовательно, мы сможем увидеть
эту галактику только после того, как расширение Вселенной про-
длится больше D лет. В более раннюю эпоху свет от нее еще не
успел бы дойти до нас и галактика была бы абсолютно недо-
ступна нашим наблюдениям, как бы мы их ни проводили. Мы
говорим, что галактика впервые оказывается внутри нашего го-
ризонта только после того, как время расширения Вселенной
сравняется со временем, которое затрачивает свет на путь от
этой галактики до нас.
Галактики, которые мы наблюдаем, как только они попадают
в пределы горизонта, обладают большими красными смещения-
ми: скорости их удаления относительно нас близки к скорости
света (в противном случае они были бы наблюдаемы задолго до
этого). Мы не можем получить никаких сигналов от внешних
областей Вселенной, и любая галактика остается абсолютно не-
доступной нашим наблюдениям, пока не оказывается внутри на-
шего горизонта. Расстояние до наблюдаемого горизонта можно
наиболее просто выразить через расстояние, которое успевает
93
Рис. 37. Резиновая вселенная
Представим себе воздушный шар, в который вкраплены металлические бусинки.
Когда шар надувают, расстояния между бусинками увеличиваются, но соб-
ственные размеры бусинок остаются неизменными. Эта модель дает грубую
аналогию наблюдаемого разбегания галактик.
пройти световой сигнал за время, прошедшее с момента Боль-
шого взрыва. Этим временем определяется расстояние до самых
удаленных наблюдаемых объектов во Вселенной. Расстояние до
горизонта увеличивается пропорционально возрасту Вселенной.
В более реалистичной модели Вселенной учитывается замед-
ление галактик под действием тяготения. Следовательно, темп
расширения нашего горизонта на самом деле превышает темп
разбегания галактик друг от друга. Это означает, что в ранней
Вселенной в пределах горизонта произвольного гипотетического
наблюдателя заключалось очень мало вещества. Прослеживая
эволюцию в прошлое-к моменту Большого взрыва, мы видим,
что рано или поздно горизонт охватывает вещество, заключен-
ное внутри одной-единственной галактики, затем внутри одной-
единственной звезды, а в невероятно близкие к Большому взры-
ву моменты времени - вещество, заключенное всего лишь
в нескольких атомах.
Наша схема эволюции заставляет рассматривать области
пространства, ограниченные расстоянием, которое успевает про-
ходить свет. Информация, лежащая за пределами этой границы,
нам недоступна. В частности, необходима крайняя осторожность
в применении законов физики при обсуждении вопроса о том,
как могла бы эволюционировать Вселенная, содержащая очень
малое число атомов. Подобного рода граница в пространстве-
времени может быть одним из тех ограничивающих факторов,
которые, возможно, не позволят нам проследить эволюцию Все-
ленной в прошлое до самого «начала».
Нетрудно оценить размер той части Вселенной, которую мы
можем видеть сегодня, поскольку постоянная Хаббла показы-
вает, что с каждым миллионом световых лет расстояния ско-
рость удаления галактик увеличивается на 15 км/с. Скорость све-
94
Рис. 38. Горизонты
На этой пространственно-временной диаграмме время отложено по вертикали,
а три пространственные координаты соединены в одну горизонтальную ось.
В начальный момент времени, момент Большого взрыва, два гипотетических на-
блюдателя Л и В не могли вступить в контакт друг с другом. Затушеванные
области обозначают соответственно горизонты этих наблюдателей-расстояние,
проходимое светом за данное время. Только спустя время 7\ наблюдатели А
и В смогут наблюдать какую-то одну и ту же часть Вселенной, и только после
момента Т2 они оказываются внутри горизонтов друг друга.
та (300 000 км/с) будет достигнута на расстоянии 20 млрд,
световых лет-это и есть протяженность наблюдаемой Вселен-
ной. Большая часть Вселенной может оставаться за пределами
нашего горизонта. Если Вселенная является сферической, суще-
ствует лишь конечное по протяженности пространство, которое
в конце концов, в далеком будущем, станет доступным нашим
наблюдениям. В гиперболической Вселенной, где пространство
является бесконечным, картина совсем иная: относительный
масштаб доступной нашим наблюдениям Вселенной поистине
бесконечно мал, и так будет всегда.
НЬЮТОНОВСКАЯ КОСМОЛОГИЯ
Чтобы понять космологию Большого взрыва, совсем не требует-
ся сложной математики. Очень часто оказывается вполне доста-
точно простой теории тяготения, созданной Исааком Ньютоном,
95
потому что она позволяет нам описывать ньютоновские космо-
логические модели, которые являются аналогами моделей, полу-
ченных в релятивистской космологии. Ньютоновские космологи-
ческие модели не безупречны, иначе не было бы нужды в более
сложных теориях. Тем не менее они действительно дают разум-
ное описание эволюции Вселенной. Ньютоновские модели не по-
зволяют правильно описать распространение света от далеких
галактик в пространстве. Следовательно, эти модели непригодны
для задач наблюдательной космологии. Однако они очень помо-
гают, когда мы имеем дело с более запутанными аспектами ре-
лятивистской космологии, и поэтому мы подробно остановимся
на этих моделях.
Ранние попытки построить ньютоновскую космологию не
увенчались успехом из-за трудности принципиального характера.
Чтобы понять, в чем заключается эта трудность, необходимо
ввести понятия гравитационной потенциальной энергии и кинети-
ческой энергии. Потенциальная энергия равна той кинетической
энергии, которую приобретает произвольная частица, ускоряясь
в гравитационном поле. Сумма кинетической и потенциальной
энергий в ходе движения частицы постоянна. Поэтому покоящая-
ся частица обладает лишь потенциальной энергией. В несвя-
занных системах бесконечной протяженности гравитационная по-
тенциальная энергия частицы рассчитывается путем сложения
вкладов, вносимых каждой из сферических оболочек, в виде ко-
торых мы можем представить такую систему. Однако в системе
бесконечной протяженности число таких оболочек может быть
произвольно большим, и тогда мы обнаруживаем, что потен-
циальная энергия не имеет верхнего предела. Таким образом, по-
нятие потенциальной энергии становится бессмысленным в бес-
конечной Вселенной. Хуже того, Вселенная не может быть
сферической, конечной и статической, если не ввести также силы
иной природы, нежели гравитационные. Подобный вывод спра-
ведлив и в релятивистской теории, что заставило Эйнштейна
в его самой ранней работе по космологии постулировать силу
космического отталкивания, уравновешивающую гравитацион-
ную силу притяжения. Как мы уже знаем, Эйнштейн впослед-
ствии отказался от силы отталкивания, приняв модель расши-
ряющейся вселенной.
Эти трудности теории Ньютона были преодолены лишь
много позже создания релятивистской теории, когда американ-
ский математик Гаррет Биркгофф доказал общую теорему, при-
менимую к любому сферическому распределению вещества. Рас-
смотрим сферический объем произвольного, но конечного
размера, окружающий произвольную заданную точку (рис. 39).
Мы можем считать, что гравитационная потенциальная энергия
любой частицы внутри этого объема зависит только от веще-
ства, сосредоточенного внутри сферического объема, при усло-
вии, что размер этой области мал по сравнению с размером го-
96
Рис. 39. Ньютоновская космология
В расширяющейся Вселенной, которая, как мы предполагаем, удовлетворяет
космологическому принципу, нарисована воображаемая сфера большого, но
произвольного размера. Одно из важных положений общей теории относитель-
ности утверждает, что вклад в локальное гравитационное поле дает только ве-
щество, заключенное внутри этой сферы.
ризонта. Теперь можно объяснить Большой взрыв с помощью
простой ньютоновской гравитации. Расширение Вселенной по-
зволяет веществу преодолеть гравитационное самопритяжение
и тем самым дает возможность построить самосогласованную
космологическую модель.
МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ
В ВИДЕ ПУДИНГА С ИЗЮМОМ
Далее мы рассмотрим простую модель реальной трехмерной
Вселенной. Чтобы избежать лишних усложнений, воспользуемся
ньютоновской теорией гравитации, и тогда кривизна простран-
ства не будет в явном виде фигурировать в нашей модели. Для
начала представим себе обычный пудинг с изюмом и возьмем
его в качестве аналога Вселенной. Изюминки разбросаны по пу-
дингу случайным образом: каждая из них в отдельности будет
аналогом скопления галактик. Пудинг можно готовить медлен-
но. Тогда он равномерно разбухает, но изюминки не «разбегают-
ся». Если же консистенцию пудинга все время поддерживать по-
стоянной, то изюминки будут удаляться друг от друга
с относительной скоростью, пропорциональной расстоянию ме-
жду ними. Конечно, мы не можем рассматривать изюминки
вблизи границы пудинга, мы должны представить себе беско-
нечный пудинг. Эту модель довольно легко сделать количествен-
4-896
97
ной. С ее помощью мы можем вывести закон Хаббла и, учиты-
вая гравитационное притяжение между изюминками, получить
соотношение между типом расширения и средней плотностью
вещества. Гравитационное притяжение, действующее между изю-
минками в пудинге, имеет тенденцию препятствовать расшире-
нию.
Исходя из космологического принципа, мы можем теперь
применить эту модель к эволюции Вселенной. Представим себе
однородно распределенное и расширяющееся вещество. Требова-
ние, чтобы в любой момент времени для наблюдателей, движу-
щихся синхронно с расширением, Вселенная имела одинаковый
вид, предполагает, что плотность вещества должна быть повсю-
ду одной и той же. Кроме того, относительные скорости, изме-
ряемые любым наблюдателем, должны зависеть от времени и от
расстояния.
Чтобы еще более наглядно проиллюстрировать эту идею,
рассмотрим три произвольные точки, образующие треугольник.
По мере расширения Вселенной форма треугольника должна
оставаться неизменной, поскольку изотропия Вселенной сохра-
няется (рис. 40). Это требование подразумевает, что относи-
тельные скорости между любыми двумя точками должны быть
прямо пропорциональны расстоянию между ними. Если бы от-
носительная скорость зависела, скажем, от квадрата расстояния
между точками, то произвольно выбранный треугольник все
больше деформировался бы в ходе расширения: самая длинная
его сторона становилась бы еще длиннее по сравнению с самой
короткой стороной. Другими словами, мы вывели закон Хаббла,
гласящий, что относительная скорость между любыми двумя
точками равна расстоянию г между ними, умноженному на уни-
версальную постоянную Н. На самом деле это утверждение но-
сит более общий характер, чем закон Хаббла, который применим
лишь к соседним областям Вселенной. Поскольку время, за кото-
рое к нам приходит свет от соседних областей, намного меньше,
чем возраст Вселенной, мы обычно понимаем под Н современ-
ное значение этой величины. Однако в действительности закон
Хаббла носит гораздо более фундаментальный характер, и мы
можем получить постоянную Хаббла для произвольного момен-
та времени. Иными словами, величина Н-это фактически не ис-
тинная постоянная; более подходящий термин для нее-параметр
Хаббла.
Из соотношения между расстоянием и относительной ско-
ростью также следует, что расстояние между любыми двумя га-
лактиками должно зависеть только от расстояния между ними
в некоторый момент времени, выбранный за начало отсчета, и от
времени, прошедшего с того момента. Таким образом, мы мо-
жем выразить расстояние г между любыми двумя точками как
начальное расстояние между ними гнач, умноженное на масш-
табный фактор R, который показывает, насколько сильно Все-
98
Рис. 40. Изотропия расширяющейся Вселенной
Любые три точки образуют треугольник. В соответствии с космологическим
принципом при расширении Вселенной треугольник по мере увеличения его раз-
мера всегда должен сохранять одну и ту же форму. Отсюда непосредственно
следует, что относительная скорость между любыми двумя вершинами треу-
гольника должна быть пропорциональна расстоянию между ними-в противном
случае форма треугольника должна была бы меняться.
ленная расширилась. Когда г = гнач, никакого расширения еще не
произошло и R должно быть равно 1. Масштабный фактор R,
очевидно, является лишь функцией времени, прошедшего с тех
пор, когда г равнялось гнач. Теперь нам ясен смысл величины Н,
поскольку мы можем представить Н как относительную ско-
рость изменения R. На самом деле Н-это не что иное, как ве-
личина, обратная возрасту Вселенной: в момент времени 1/Н
в прошлом любые две галактики должны были соприкасаться
друг с другом. Отсюда мы делаем вывод, что, когда Вселенная
была молодой, величина Н была очень большой. По мере старе-
ния Вселенной величина Н уменьшалась, пока не достигла на-
блюдаемого сегодня значения.
Рассмотрим теперь произвольную область пространства,
ограниченную сферой, участвующей в расширении Вселенной.
Назовем эту область сопутствующей сферой, относительно кото-
рой вещество уже не расширяется. Оставим в стороне какие-либо
возможные процессы образования или уничтожения вещества.
Допустим также, что отсутствует сколько-нибудь заметное излу-
чение, учет которого приводит к таким усложнениям, что для
правильного разрешения их понадобится более сложная теория
релятивистской космологии. Из вышесказанного следует, что
число частиц вещества в такой сфере должно быть всегда по-
стоянным. Отсюда в свою очередь вытекает, что полная энергия
всего вещества, заключенного внутри сферы, должна быть всегда
постоянной.
4*
99
Теперь более внимательно исследуем характер энергии, кото-
рая содержится внутри сопутствующей сферы. Разобьем сферу
на много концентрических тонких сферических оболочек, каждая
из которых участвует в расширении Вселенной. Энергия частиц,
составляющих любую из этих оболочек, складывается из двух
частей-кинетической энергии и гравитационной потенциальной
энергии. Каждая из этих энергий может расти только за счет
другой. Обратимся к примеру. Представим себе камень, бро-
шенный в воздух. Когда камень достигает наибольшей высоты,
его кинетическая энергия движения обращается в нуль (камень
неподвижен), зато его гравитационная потенциальная энергия
максимальна. Когда же камень ударяется о Землю, вся его гра-
витационная потенциальная энергия переходит в кинетическую.
Полная энергия, равная сумме кинетической и потенциальной
энергий, все время остается постоянной.
Исходя из этой аналогии, делаем вывод, что сумма
кинетической энергии расширения сферической оболочки и ее
гравитационной потенциальной энергии не меняется со временем
в ходе расширения Вселенной. Кинетическая энергия равна поло-
вине произведения массы оболочки т и квадрата ее скорости
расширения v, т.е. mv2/2. Гравитационная потенциальная энергия
в центре сферы равна энергии, которую приобрела бы частица
при падении в центр. Поскольку гравитационная потенциальная
энергия максимальна, когда кинетическая энергия минимальна,
мы всегда считаем гравитационную потенциальную энергию от-
рицательной. Полная масса М, заключенная внутри оболочки,
дает вклад в ее гравитационную потенциальную энергию, ко-
торый можно приближенно выразить как постоянную (ньюто-
новская гравитационная постоянная G), умноженную на произве-
дение масс сферы и оболочки и деленную на радиус оболочки,
т.е. записать в виде — GMm/R.
Аналогия с движением камня позволяет нам описывать дви-
жение любой частицы во Вселенной с помощью простого урав-
нения, которое выражает закон сохранения энергии. Отсюда мы
получаем: сумма кинетической энергии, приходящейся на едини-
цу массы и равной половине квадрата скорости частицы (изме-
ренной относительно другой частицы), и потенциальной (отрица-
тельной) энергии, приходящейся на единицу массы и равной
некоторой постоянной, деленной на расстояние между частица-
ми, не меняется со временем. Постоянная фактически равна мас-
се, заключенной внутри сферы между этими двумя частицами,
умноженной на ньютоновскую гравитационную постоянную.
Масса сопутствующей сферы, участвующей в расширении
Вселенной, также будет неизменной во времени, поскольку не
происходит ни образования, ни уничтожения частиц. В среднем
любые частицы, которые могут покинуть сферу, заменяются ча-
стицами, входящими в нее. Если мы обозначим однородную
плотность Вселенной через d, то можно сделать вывод, что, по-
100
м
R
d
fl -
(1 
к -
масса внутри оболочки
радиус оболочки
плотность оболочки
скорость расширения
постоянная Хаббла
ньютоновская гравитационная постоянная
постоянная кривизны (“• 1,-1 или 0)
const
а Энергия расширения гравитационная
оболочки	потенциальная
энергия оболочки
Применяя зависимость Хаббла v — HR приводим
это уравнение к виду
----*- == 0 в ранние моменты
времени (поскольку d ~ R ~ 3)
Рис. 41. Уравнение Фридмана
Уравнение Фридмана является основным уравнением модели Большого взрыва.
Оно связывает кинетическую энергию расширения с гравитационной потен-
циальной энергией произвольного сферического распределения вещества во Все-
ленной. Сумма этих двух видов энергии должна быть неизменной во времени.
скольку число частиц внутри сопутствующей сферы никогда не
меняется, произведение плотности и объема сферы должно быть
постоянным. Другими словами, d дожно быть обратно пропор-
ционально объему сферы, т. е. пропорционально R~3. Когда
R приближается к нулю, плотность становится сколь угодно
большой: это и есть момент Большого взрыва, который мы
приняли за начало отсчета времени. С течением времени, если
Вселенная продолжает расширяться, плотность неограниченно
падает.
Уравнение закона сохранения энергии можно упростить, вос-
пользовавшись соотношением Хаббла для скорости расширения.
Тогда это уравнение становится простым уравнением для масш-
табного фактора R. Это и есть уравнение Фридмана (рис. 41) [5].
Релятивистская космология, построенная на основе общей тео-
101
рии относительности Эйнштейна, дает идентичное уравнение.
Однако интерпретация константы, характеризующей величину
полной энергии, в этих двух уравнениях различна. Мы можем
рассматривать эту константу, которую обозначим через к, как
среднюю величину полной энергии, приходящейся на любой
грамм вещества во Вселенной. Величина к может быть положи-
тельной, отрицательной или равняться нулю. Чтобы понять фи-
зический смысл величйны к, рассмотрим в качестве примера ра-
кету, обладающую в момент запуска определенной кинетической
энергией; ракета может обладать достаточной энергией, чтобы
покинуть Землю, или может упасть обратно на Землю. Эта про-
стая аналогия демонстрирует возможные различия в судьбе ве-
щества во Вселенной: галактики могут расширяться вечно или со
временем упасть обратно друг на друга. Таким образом, исполь-
зуя нашу простую аналогию, мы пришли к возможности суще-
ствования различных моделей Большого взрыва.
МОДЕЛИ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА
Мы можем наглядно представить себе начальные стадии Боль-
шого взрыва как действительно гигантский взрыв. Кинетическая
энергия некоторого заданного количества вещества была тогда
очень велика, и, согласно закону сохранения энергии, потен-
циальная (отрицательная) энергия также была велика по абсо-
лютной величине. В эти ранние моменты времени полная энер-
гия, т. е. постоянная к, которая равна разности двух названных
больших величин, была пренебрежимо мала по сравнению с ни-
ми. Уравнение Фридмана сводится к простому балансу между
кинетической энергией единичной массы вещества (пропорцио-
нальной 1 /2Н2) и гравитационной потенциальной энергией [рав-
ной произведению плотности d на (4тг/3) G], т. е. к соотношению
1/2Н2 = (4ir/3)Gd. Радиус рассматриваемой сферической области
входит одинаковым образом в оба члена, относящиеся к кинети-
ческой и потенциальной энергиям. Это приводит к неожиданно-
му результату: уравнение Фридмана не зависит от размера рас-
сматриваемой области. Оно не зависит от масштаба, а зависит
только от времени.
Согласно чрезвычайно простому математическому решению
этого уравнения, R растет пропорционально времени, прошедше-
му с момента Большого взрыва, в степени две третьих. Это ре-
шение уравнения Фридмана дает так называемую вселенную
Эйнштейна-де Ситтера, которая является самой простой из
космологических моделей Большого взрыва (рис. 42) [6]. Про-
странство в этой вселенной бесконечно и обладает теми же свой-
ствами, что и обычное евклидово пространство. Эта вселенная
расширяется вечно, начиная с момента, когда R было сколь угод-
но малым. В момент времени, который принимается за начало
времени, плотность вещества была бесконечной.
102
Рис. 42. Модели Большого взрыва
К жизнеспособным альтернативным моделям Большого взрыва относятся: от-
крытая и закрытая модели Фридмана - Леметра, промежуточная между ними
открытая модель Эйнштейна-де Ситтера и модель вселенной Леметра. На гра-
фике по вертикали отложено расстояние между произвольными двумя далекими
галактиками в различных областях Вселенной, по горизонтали - время. Малень-
кий кружок представляет современную эпоху. Если Вселенная всегда расширя-
лась в том же темпе, что и сегодня, то ее сегодняшний возраст должен состав-
лять около 20 млрд, лет, что показывает экстрополяция в прошлое (пунктирная
линия, направленная вниз и влево). Если расширение замедляется, что соответ-
ствует открытой и закрытой моделям, то фактический возраст Вселенной дол-
жен быть меньше 20 млрд. лет. Возраст Вселенной, согласно открытой модели,
составляет почти 20 млрд. лет. Закрытая модель предсказывает меньший воз-
раст, поскольку в этой модели, где расширение сменяется сжатием, замедление
должно быть наибольшим. Возраст вселенной Леметра намного больше
20 млрд, лет, потому что в этой модели имеется продолжительный статический
период (прямолинейный участок кривой). Как в открытой модели Фридмана—
Леметра, так и в модели Леметра вселенная продолжает расширяться вечно.
В ранние моменты времени вселенная Эйнштейна-де Ситте-
ра представляет собой хорошее приближение для открытой и за-
крытой вселенных Фридмана - Леметра [7] (при условии, что
космологическая постоянная, первоначально введенная Эйнштей-
ном, считается равной нулю). Однако на более поздних стадиях
расширения к начинает играть важную роль. Представим себе
позднюю стадию расширения, когда плотность упала до очень
малой величины. Теперь уравнение Фридмана отражает баланс
между членом, связанным с кинетической энергией, как и раньше,
и энергетической константой к.
103
Допустим, что к отрицательно; это соответствует тому, что
при произвольно больших радиусах вселенная обладает положи-
тельной кинетической энергией. При сколь угодно большом зна-
чении масштабного фактора R вселенная всегда будет расши-
ряться с некоторой скоростью, которая определяется величиной
Н. Когда к отрицательно, вселенная расширяется неограниченно.
Мы называем такую вселенную открытой. Пространство являет-
ся бесконечным; оно не имеет края, и мы говорим, что оно не-
ограниченно. Как следует из решения уравнения Фридмана, на
поздних стадиях R должно изменяться пропорционально време-
ни, прошедшему с момента Большого взрыва.
Однако если к положительно и мы попытаемся допустить
беспредельный рост R, то мы обнаружим, что для R не может
быть никакого действительного решения (поскольку мы знаем,
что квадрат любого действительного решения для Н должен
быть положительным, тогда как теперь в уравнении Фридмана
положительная величина приравнивается к отрицательной).
В этом случае расширение вселенной должно прекратиться!
И теперь мы обнаруживаем, что масштабный фактор R увеличи-
вается от нуля до максимального значения, после чего снова
уменьшается до нуля. Такая вселенная является пространствен-
но-конечной, хотя и неограниченной. Это опять-таки означает,
что у вселенной нет края. Геометрия такой вселенной аналогична
геометрии поверхности сферы; это пространство имеет положи-
тельную кривизну, и мы называем такую вселенную закрытой.
Полемика вокруг одной из величайших проблем космоло-
гии-открыта или закрыта реальная Вселенная-не прекращается
до сих пор. В главе 17 мы увидим, как противоречивы сегодняш-
ние представления, связанные с этим вопросом.
Все предыдущее обсуждение основывалось целиком на нью-
тоновских представлениях о гравитации. Общая теория относи-
тельности Эйнштейна также приводит к аналогичному уравне-
нию Фридмана. Как и теория Ньютона, общая теория относи-
тельности дает этот результат, если постулировать, что Вселен-
ная однородна и изотропна. Исторически релятивистская космо-
логическая теория на самом деле предшествовала космологиче-
ской теории Ньютона,-ньютоновская теория была развита,
чтобы дать простое объяснение релятивистским результатам.
Самое важное различие между этими двумя космологическими
подходами связано с интерпретацией величины к. Релятивистская
теория показывает, что член к возникает из-за кривизны про-
странства. Согласно этой теории, гравитация эквивалентна кри-
визне четырехмерного пространства-времени, и то, что мы назы-
ваем обычным трехмерным пространством, может в действи-
тельности быть искривленным, т. е. неевклидовым. В сильном
гравитационном поле, например вблизи черной дыры, простран-
ство искривляется очень сильно. Даже в сравнительно слабых
гравитационных полях, с которыми мы обычно имеем дело
104
в космологии, параллельные линии уже не обязательно парал-
лельны и три угла треугольника совсем не обязательно дают
в сумме 180°. Аналогично могут нарушаться и многие другие
следствия евклидовой геометрии. Если параллельные линии
в конце концов встречаются, как это имело бы место на поверх-
ности сферы, пространство имеет положительную кривизну.
В космологии такое пространство считается закрытым и ко-
нечным. Если параллельные линии в конце концов расходятся, то
мы получаем пространство с отрицательной кривизной. В космо-
логии такое пространство считают открытым и бесконечным.
В релятивистской космологии уравнение Фридмана имеет бо-
лее глубокий смысл. Здесь нет больше необходимости рассма-
тривать энергию вещества как величину, которая определяет ха-
рактер расширения. Мы называем к кривизной пространства
и приписываем ей три возможных значения: +1, 0 или —1. Если
к= +1, пространство сферическое и закрытое; если к=— 1,
пространство гиперболическое и открытое. Случай к = 0 также
соответствует открытой (или бесконечной) вселенной, с той лишь
разницей, что ее пространственная геометрия является евклидо-
вой. Основные характеристики различных моделей приведены
в табл. 6.
Если бы Вселенная была статической, то член Н, связанный
с расширением, отсутствовал бы в уравнении Фридмана. Однако
мы знаем, что член, связанный с кривизной, в ранние моменты
времени не важен. Исследование уравнения Фридмана тем
самым говорит о том, что единственный вариант статической
вселенной, способной удовлетворить космологическому принци-
пу,-это пустая вселенная. Когда в 1916 г. разрабатывалась об-
щая теория относительности, представление о расширяющейся
вселенной было настолько революционным, что сам Эйнштейн
тогда еще не принимал возможность расширения. Он предложил
самое простое решение этого кажущегося космологического па-
радокса, введя в уравнение гравитации космологическую по-
стоянную (не зависящую от времени и положения в простран-
стве). Согласно Эйнштейну, гравитационная сила, действующая
на материальную точку, расположенную вблизи границы боль-
шой сферы из вещества, складывается из обычной ньютоновской
силы притяжения и дополнительной силы отталкивания. Мы мо-
жем записать силу притяжения как величину, пропорциональную
массе, деленной на квадрат радиуса. Если плотность всюду одно-
родна, то мы можем представить эту силу как величину, пропор-
циональную произведению плотности и радиуса сферы, что экви-
валентно предыдущему. Дополнительная сила отталкивания
может быть выражена в виде произведения космологической по-
стоянной и радиуса сферы (если быть уж совсем точным, то сле-
довало бы добавить множитель 1/3, чтобы ответ согласовался
с определением космологической постоянной, введенной Эйнш-
тейном). Итак, космическое отталкивание и тяготение увеличи-
105
ваются с расстоянием. В статической вселенной Эйнштейна эти
силы в точности взаимно уничтожаются, т. е. достигается равно-
весие, которое носит весьма неустойчивый характер.
Это равновесие неустойчиво, потому что самое слабое возму-
щение или отклонение от однородности могло бы сместить ба-
ланс в пользу одной из сил и вселенная могла бы либо сжимать-
ся, либо расширяться. Например, любые ничтожные отклонения
Таблица 6
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ
МОДЕЛИ
Модели, включающие Большой взрыв	к	Пространство	Протяженность пространства	Характер эволюции
Эйнштейна - де Ситтера	0	Плоское	Открытое и бесконечное	Расширяется вечно
Фридмана- Леметра	-1	Г иперболическое	Открытое и бесконечное	Расширяется вечно
Фридмана- Леметра	+ 1	Сферическое	Закрытое и конечное	Расширение сменяется сжатием
Леметра	+1	Сферическое	Закрытое и конечное	Расширяется . вечно, имеется квазистатиче- ская фаза
Модели без Большого	взрыва			
Эддингтона- Леметра	+ 1	Сферическое	Закрытое и конечное	Сначала стати- ческая, потом расширяется вечно
Стационарная модель	0	Плоское	Открытое и бесконечное	Стационарна (но не статична)
от начальной однородности-типа тех, что обусловлены слу-
чайными движениями атомов,-в конце концов стали бы значи-
тельны. Гравитационная сила зависит от плотности, но отталки-
вание от нее не зависит, поэтому даже бесконечно малое
увеличение плотности создает превосходство тяготения над от-
талкиванием. Этого достаточно, чтобы за неопределенно боль-
шой промежуток времени-а в статической вселенной время не
ограничено-в конце концов произошло сжатие вещества в зна-
чительной области, т.е. образовались галактики. Ё течение ряда
лет считали, что образование галактик могло бы привести к рас-
ширению Вселенной как целого, поскольку в том случае, когда
вещество сконцентрировано в отдельных дискретных областях,
106
результирующее гравитационное притяжение чуть меньше по
сравнению с тем случаем, когда вещество распределено однород-
но. Подобное заблуждение-теперь это уже точно известно-при-
вело к космологической модели, наиболее активным привержен-
цем которой был английский астроном Артур Эддингтон.
Вселенная Эддингтона-Леметра вначале была статической
и стала расширяться только после того, как начали конденсиро-
ваться галактики. Такая модель привлекала тем, что в ней не
возникала проблема начального момента времени, и тем не ме-
нее она позволяла объяснить наблюдаемое расширение галактик.
Позднее было показано, что, когда конденсируются галакти-
ки, вселенная Эддингтона-Леметра в действительности должна
была бы сжиматься, а не расширяться, поскольку вновь образую-
щиеся галактики должны испускать мощное излучение. На
первый взгляд может показаться, что излучение вследствие свое-
го давления должно лишь способствовать расширению. Однако,
как обнаруживается, происходит совершенно обратное. На
самом деле избыточное давление явилось катастрофой для этой
космологической модели, поскольку давление имеет тенденцию
способствовать сжатию. Этот результат можно правильно по-
нять только с помощью релятивистской космологии. Грубо го-
воря, давление связано с определенной плотностью энергии, ко-
торая в свою очередь эквивалентна определенному количеству
массы, и это усиливает влияние тяготения. Избыточное тяготе-
ние, обусловленное давлением, ускоряет процесс сжатия. Подоб-
ный эффект обнаруживают при изучении массивных коллапси-
рующих звезд: давление сжимающегося вещества фактически
способствует росту гравитационного притяжения и ускоряет тем
самым образование черной дыры.
Несмотря на эти теоретические трудности, связанные с мо-
делью Эддингтона-Леметра, имеются жизнеспособные космоло-
гические модели, включающие в себя космологическую постоян-
ную. В космологической модели, известной как вселенная
Леметра, расширение вначале такое же, как в общепринятой мо-
дели Большого взрыва, но на некоторой более поздней стадии
оказывает свое влияние сила космического отталкивания. Как
и член уравнения, связанный с кривизной, член, включающий
космическое отталкивание, важен только тогда, когда плотность
вещества во Вселенной заметно упала. Отталкивание приводит
к тому, что Вселенная вступает в фазу расширения по инерции.
Но в конце концов дает себя знать член, учитывающий кривизну,
и расширение ускоряется. Поскольку расширение в этом случае
никогда не прекращается, эта вселенная не разделила участь, вы-
павшую на долю вселенной Эддингтона-Леметра: галактики
в конечном счете движутся друг от друга-точно так же, как и
в открытой модели Фридмана - Леметра. Вселенная Леметра ча-
сто привлекала к себе космологов, потому что период расшире-
ния по инерции обеспечивает возможную эпоху, когда может
107
происходить конденсация вещества в галактики. Еще одна харак-
терная черта вселенной Леметра, о которой стоит упомянуть, за-
ключается в том, что свет в этой модели успевает обойти всю
вселенную (поскольку модель является пространственно-закры-
той). Эта особенность приводит к образованию двойных изобра-
жений далеких галактик. В принципе, имея достаточно большой
телескоп, можно было бы увидеть собственный затылок без по-
мощи зеркала! Можно было бы также ожидать, что подавляю-
щее большинство далеких галактик и квазаров должно наблю-
даться при красном смещении, соответствующем эпохе расшире-
ния по инерции. Наблюдаемое отсутствие подобного рода
явлений заставило многих космологов отказаться от модели
Леметра.
Хотя подобные экзотические модели вселенных интересны
и чем-то привлекательны, мы должны отдать предпочтение наи-
более простой космологии. Реальные явления можно понять,
оставаясь в рамках космологии Большого взрыва,-если не до
конца, то по крайней мере в большей степени, чем это позволяет
любая альтернативная теория, предложенная к настоящему
времени. Поэтому следует признать, что модели Большого взры-
ва дают удовлетворительное описание Вселенной. Под стандарт-
ной космологией Большого взрыва, которая более подробно рас-
сматривается в последующих главах, мы будем понимать тео-
рию, допускающую следующие три возможности: закрытая все-
ленная Фридмана-Леметра со сферическим искривленным про-
странством, которая предусматривает смену расширения сжа-
тием; открытая вселенная Фридмана-Леметра с гиперболиче-
ским искривленным пространством, которой суждено вечно
расширяться, и, наконец, вселенная Эйнштейна-де Ситтера
с плоским пространством, которая также должна вечно расши-
ряться. Как мы видели, различие между этими тремя моделями
сказывается лишь в поздние эпохи, когда уже образовались га-
лактики; по отношению к ранней Вселенной названные модели
неотличимы. Это сильно упрощает исследование эволюции ран-
ней Вселенной, которым мы сейчас и займемся.
ПЕРВАЯ МИЛЛИСЕКУНДА
6
Грешник считает, что церковь обещает ему ад в буду-
щем, а космология доказывает, что раскаленный ад
был в прошлом.
Я. Б. Зельдович
Как выглядела Вселенная в самый ранний момент времени? Ес-
ли ретроспективно проследить эволюцию Вселенной по времени
в прошлое, то она становится все более плотной и горячей.
Область пространства, которую может видеть некий гипотетиче-
ский наблюдатель (наблюдаемая Вселенная), оказывается все
меньше и меньше. Наблюдаемая Вселенная ограничена расстоя-
нием, которое свет может пройти за время, прошедшее с момен-
та Большого взрыва; в действительности же Вселенная намного
больше.
Как говорилось в гл. 3, самые далекие галактики, которые мы
в состоянии видеть, удаляются от нас со скоростью более 1/3 от
скорости света и расположены на расстоянии свыше 5 млрд, све-
товых лет. Сегодня наблюдаемая Вселенная охватывает около
10 млрд, галактик. Если проследить историю Вселенной в прош-
лое, когда ее возраст был около 10 лет, то мы постепенно при-
шли бы к тому моменту, когда наблюдаемая Вселенная ограни-
чивалась бы веществом, содержащимся в одной-единственной
галактике; все атомы наблюдаемой Вселенной в ту эпоху соста-
вили бы по массе не более чем массу одной галактики и были бы
сконцентрированы внутри области протяженностью порядка 10
световых лет. Если заглянуть в еще более далекое прошлое, ког-
да минуло лишь несколько секунд после Большого взрыва, то
наблюдаемая Вселенная содержала бы вещества приблизительно
столько же, сколько его содержится в Солнце.
Конечно, все вещество, которое мы сегодня видим во Вселен-
ной, существовало бы и тогда-просто ни один наблюдатель не
мог бы увидеть все это вещество одновременно. Однако можно
представить себе множество гипотетических наблюдателей, ко-
торые прослеживают в прошлое историю различных областей
(рис. 43). Эти наблюдатели могли бы подойти еще ближе к мо-
менту Большого взрыва и зафиксировать те моменты времени,
когда в наблюдаемой Вселенной содержалось бы всего лишь
одно атомное ядро. Возраст Вселенной в этот момент составлял
109
б
ничтожную долю секунды (около 10 23 с); размер наблюдаемой
тогда Вселенной равнялся размеру атомного ядра, или около
IO’13 см.
ПЛОТНОСТЬ ВСЕЛЕННОЙ
Самый далекий момент в прошлом, о котором физика позволяет
еще что-то сказать, соответствует времени, еще более близкому
к Большому взрыву. Вообразите момент, столь ранний, и плот-
ности столь большие, что гравитационные приливные силы были
бы способны разорвать вакуум. В более поздние эпохи в резуль-
тате действия ядерных сил происходило рождение пар элемен-
тарных частиц. Если гравитационные силы были достаточно ве-
лики, то оказалось бы возможным рождение пар частиц из
вакуума. Другими словами, в момент сингулярности простран-
ство-время по существу было разрушено действием гравита-
ционных сил.
Чтобы судить о самом раннем моменте, доступном нашему
исследованию, мы должны воспользоваться современной физиче-
ской теорией, описывающей фундаментальное строение веще-
ства,- квантовой механикой. Согласно соотношению неопределен-
ностей Гейзенберга, невозможно точно определить положение
какой-либо элементарной частицы. Атомные ядра и электроны
теряют свою индивидуальность и приобретают волновые свой-
ства на масштабе, называемом комптоновской длиной волны. Мы
не можем рассматривать элементарные частицы как находящие-
ся в какой-то конкретной точке пространства, а говорим лишь
о какой-то конкретной области, при этом отдельные частицы не-
различимы. Размер этой области неопределенности равен длине
волны, соответствующей данной частице.
◄ Рис. 43. Большой взрыв: пространственно-временная диаграмма
На пространственно-временной диаграмме пространство изображается горизон-
тальной осью, время отложено по вертикали. На диаграмме (а) изображены ми-
ровые линии, или траектории, студентов А, В и С. А и В посещают занятия
в одной и той же аудитории с 9 до 10 ч утра, С и В живут вместе, но занимают-
ся в разных аудиториях. Мировые линии А и В расходятся после их занятий,
а мировые линии В и С после занятий сходятся.
На диаграмме (б) изображена мировая линия гипотетического наблюдателя
(ось времени) в стандартной модели. Горизонтальная линия на этой диаграмме
представляет всю Вселенную в некоторый выбранный момент времени. Затуше-
ванные области представляют ту часть Вселенной, которая находится внутри го-
ризонта гипотетического наблюдателя в произвольный заданный момент вре-
мени. По мере роста времени, прошедшего после сингулярности, все большие
области Вселенной становятся наблюдаемыми. В настоящий момент к нам при-
ходит свет от квазаров и скоплений галактик, которые удалены на миллиарды
световых лет. В будущем станут видимыми еще более удаленные объекты.
Указаны также различные эпохи в эволюции Вселенной. Сегодня вещество
во Вселенной находится главным образом в виде атомов и атомных ядер (ну-
клонов), однако в более ранние эпохи преобладали элементарные частицы-ад-
роны, лептоны и фотоны.
111
Обратимся теперь к эпохе, настолько ранней, что вся наблю-
даемая Вселенная была сосредоточена в пределах одной длины
волны частицы. Это крайний предел, доступный для теории гра-
витации. В этот момент (который называют планковским момен-
том), отстоящий от сингулярности всего лишь на 10~43 с, все ве-
щество, наблюдаемое сегодня во Вселенной и охватывающее
миллионы галактик, было сжато в сферу радиусом в 0,001 см,
т. е. до размера острия иголки. В этот момент наблюдаемая Все-
ленная была намного меньше, чем даже атомное ядро,- она име-
ла всего лишь 1033 см в диаметре.
Если бы все атомы существующих в настоящее время звезд
и галактик однородно распределить по пространству, то в каж-
дом кубическом метре пространства оказались бы приблизитель-
но один атом водорода и примерно в 10 раз меньше - гелия. Все
более тяжелые атомы, взятые вместе, составили бы не более 1%
от числа атомов гелия. В ранней Вселенной плотность вещества
была намного больше. Через секунду после взрыва плотность
упала до 10 кг/см3. (Обычные горные породы имеют плотность
порядка нескольких грамм на 1 см3.) В планковский момент
плотность достигала 1090 кг/см3. Физические условия тогда были
столь экстремальны, что кажется вполне уместным считать, что
планковский момент-это момент «рождения» Вселенной1.
ТЕМПЕРАТУРА ВСЕЛЕННОЙ
Большой взрыв был чрезвычайно горячим, но вопрос о том, на-
сколько высока была тогда температура, пока остается предме-
том споров. Неопределенность в этом вопросе показывает, как
скудны наши познания в физике экстремальных условий в ранней
Вселенной. Однако мы можем теоретически оценить верхний
предел температуры Большого взрыва.
Чтобы понять природу этой предельной температуры, необ-
ходимо обратиться к физике элементарных частиц. Большинство
этих частиц относится к так называемым адронам (рис. 44). Су-
ществует много разновидностей адронов: сюда входят мезоны,
протоны, нейтроны и другие, более тяжелые, но короткоживущие
частицы. Элементарные частицы характеризуются не массой, ко-
торая может изменяться, а полной массой покоя. Ей соответ-
ствует энергия покоя, которая полностью высвобождается только
при аннигиляции частицы.
Аннигиляция-это процесс взаимодействия частицы и антича-
стицы; последняя имеет противоположный электрический заряд,
но по всем другим свойствам частица и античастица идентичны.
Аннигиляция одного протона и антипротона дает 1 млрд. эВ
(электрон-вольт) энергии, которой едва ли достаточно, чтобы фо-
1 Имеется в виду начало современного этапа эволюции Вселенной-Прим,
ред.
112
Рис. 44. Некоторые элементарные частицы
Адроны- это тяжелые элементарные частицы, лептоны-легкие элементарные
частицы.
нарик вспыхнул на одну миллиардную долю секунды. Чтобы
перевести электрон-вольты в привычные единицы, отметим, что
1000 млрд. эВ равны 1 эрг, а 10 млн. эрг энергии, израсходо-
ванных за 1 с, соответствуют мощности в 1 Вт. (Электрон-вольт
в качестве единицы энергии выбран для удобства физиков, по-
скольку 1 эВ равен энергии, приобретаемой единичным электро-
ном при прохождении разности потенциалов 1 В.) Пока мы не
рассматриваем огромное число протонов и антипротонов, это,
конечно, совсем небольшая энергия. На самом же деле эффектив-
ность выхода энергии (на грамм вещества) в процессе аннигиля-
ции намного превосходит эффективность энергетического выхода
при всех других способах превращения энергии. Процесс анниги-
ляции-это самый эффективный источник энергии. В результате
этого превращения вещество полностью исчезает.
Металлы начинают плавиться при температурах порядка
1000-2000К (градусов по шкале Кельвина); это эквивалентно
энергии, примерно равной 0,1 эВ на атом. В центре Солнца тем-
пература соответствует энергии около 1000 эВ на атом. Энергия
типичных химических связей между атомами составляет около
1 эВ, а для разрушения или соединения ядер, удерживаемых как
целое ядерными силами, требуются энергии в миллионы элек-
трон-вольт. В ядерных взрывах высвобождается приблизительно
113
в миллион раз больше-энергии, чем в химических реакциях; по-
этому мы и измеряем силу ядерного взрыва в мегатоннах ТНТ
(тринитротолуола). При полной аннигиляции на 1 г вещества вы-
свобождается энергия, более чем в 100 раз превышающая энер-
гию ядерного взрыва.
В ранней Вселенной существовал естественный барьер, ко-
торый, возможно, помещал температуре превысить предельное
значение, составляющее приблизительно 160 млн. эВ. Кроме ан-
нигиляции частиц, сопровождающейся высвобождением энергии,
может происходить также и обратный процесс-рождение ча-
стицы в интенсивном поле излучения. Возникающие в результате
частицы, мезоны, обычно существуют лишь на протяжении ко-
ротких мгновений в глубинах атомных ядер: благодаря этим ча-
стицам нуклоны, составляющие ядро, удерживаются вместе. Од-
нако в ранней Вселенной, когда плотность вещества превосходи-
ла плотность ядер, могли возникать новые состояния частиц.
Согласно теории составных частиц, которая связана в первую
очередь с именем физика Рольфа Хагедорна, мезонные взаимо-
действия создают много новых резонансов, т.е. состояний ча-
стиц. На возникновение новых резонансов затрачивается так
много энергии, что это препятствует повышению температуры
выше критического значения, соответствующего 160 млн. эВ.
Однако в теории элементарных частиц, принятой большин-
ством физиков-ядерщиков, рассматривается конечное число эле-
ментарных частиц. По мере приближения к самым ранним мо-
ментам новые типы элементарных частиц быстро исчерпывают-
ся, поэтому температура непрерывно растет в прошлое вплоть
до планковского момента, когда она достигает невероятно
огромной величины-1031 К. Даже при работе с гигантскими
ускорителями такие условия недостижимы. И тем не менее за-
тронутый вопрос не является чисто академическим; есть надеж-
да, что когда-нибудь мы в конце концов сумеем выбрать между
этими двумя возможностями, определяя число новых резонансов
и оценивая, продолжает ли их число быстро расти с увеличением
энергии (как в теории составных частиц) или же этот рост проис-
ходит постепенно (как должно быть с точки зрения теории эле-
ментарных частиц).
РОЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ
Ранняя Вселенная была однородно заполнена излучением и ней-
трино, в ней содержалось также сравнительно небольшое число
электронов, протонов и нейтронов. В ходе расширения излучение
остывало, становясь в конце концов тем реликтовым фоновым
излучением, которое было измерено радиоастрономами. Сегод-
няшняя температура этого излучения составляет ЗК, что эквива-
лентно энергии менее 0,001 эВ на атом.
114
Проводя экстраполяцию к более ранним моментам времени,
мы обнаруживаем, что температура Вселенной растет пропор-
ционально плотности энергии в степени 1/4 [8]. Когда темпера-
тура превышает 1 млн. эВ (МэВ), происходит нечто поразитель-
ное. Энергия в 1 МэВ приблизительно равна суммарной энергии
покоя электрона и его античастицы, позитрона. Если электрон-
позитронная пара полностью аннигилирует, то высвобождается
энергия около 1 МэВ. И наоборот, когда температура излучения
превышает это предельное значение, пары частиц, электронов
и позитронов, рождаются из поля излучения. Аннигиляция про-
исходит при слиянии электрона с позитроном, при этом обра-
зуются два фотона (т. е. частицы излучения) с энергией более
0,5 МэВ каждый.
Квантовая механика рассматривает излучение либо как обла-
дающее волновой природой, либо как состоящее из фотонов
(квантов электромагнитного излучения), частиц, масса которых
равна нулю, т. е. частиц чистой энергии. Фотоны высокой энер-
гии, возникающие при аннигиляции электрон-позитронной пары,
называются гамма-лучами; они обладают огромной проникаю-
щей способностью. Каждый такой фотон гамма-излучения обла-
дает энергией 0,5 МэВ. Гамма-лучи могут быть и намного более
энергичными - например, при аннигиляции протона с его антича-
стицей (антипротоном) энергия возникающих гамма-фотонов со-
ставляет около 1 ГэВ (миллиард электрон-вольт). Для сравнения
укажем, что фотоны рентгеновского излучения, используемого
в медицинской диагностике, имеют энергии всего лишь несколь-
ко тысяч электрон-вольт. Процессы рождения и аннигиляции
можно описать следующей реакцией:
частица + античастица гамма-излучение.
В ранние моменты жизни Вселенной, при эквивалентных тем-
паратурах свыше 1 МэВ, число электронов, позитронов и фото-
нов было примерно одинаково. Однако по прошествии несколь-
ких секунд температура упала настолько, что фотоны уже не
обладали энергией, достаточной для рождения новых пар части-
ца-античастица. В этот момент аннигиляция электрон-пози-
тронных пар не могла полностью компенсироваться рождением
частиц и античастиц. Как мы увидим, полной аннигиляции не
происходило, потому что имелся небольшой избыток частиц над
античастицами. Следовательно, выжили лишь немногие частицы.
Если бы во Вселенной присутствовало абсолютно равное количе-
ство вещества и антивещества, то сейчас она была бы почти пол-
ностью лишена вещества. И это было бы весьма неприятное для
нас обстоятельство!
Обратимся теперь к тому, что происходило в моменты време-
ни, более ранние, чем секунда. Температура была настолько вы-
сока, что могли рождаться более массивные частицы, к которым
относятся мезоны и антимезоны, протоны и антипротоны, а так-
115
же куда более экзотические виды ядерных частиц. Все эти ча-
стицы были способны аннигилировать со своими античастицами,
и, кроме того, они могли рождаться интенсивным полем излуче-
ния. В результате все типы элементарных частиц были распро-
странены в то время почти одинаково и по своему обилию не
уступали фотонам. Сегодня для получения ничтожных количеств
таких частиц приходится использовать чрезвычайно дорогостоя-
щие ускорители частиц. Ранняя Вселенная должна была предста-
влять собой рай для физиков, специалистов по элементарным
частицам.
Приближаясь в своем исследовании прошлого к начальной
сингулярности, мы должны затронуть еще один вопрос. Могло
ли сильное гравитационное поле само по себе приводить к рож-
дению вещества и излучения из вакуума? Очень ранняя Вселен-
ная, возможно, была пуста! Исследования, касающиеся этой воз-
можности, показали, что если Вселенная остается изотропной, то
рождение частиц должно быть сравнительно слабым. Однако
рождение частиц и излучения могло происходить в том случае,
если начальное расширение было хаотическим или анизо-
тропным, т. е. если в любой заданной точке Вселенная расширя-
лась в разных направлениях с различными скоростями. Можно
представить, как огромные гравитационные силы, возникающие
как следствие Большого взрыва, разрушают непрерывность про-
странства-времени в процессе рождения частиц. Можно предпо-
ложить, что вакуум содержит виртуальные пары частиц и анти-
частиц. Достаточно сильное приливное гравитационное поле
в состоянии разрывать эти виртуальные пары, тем самым позво-
ляя частицам появиться в реальном мире.
Процесс рождения пар частиц оказывал в высшей степени
стабилизирующее действие. Начальная анизотропия быстро сгла-
живалась, в результате Вселенная становилась изотропной и за-
полнялась излучением. Каким образом процесс рождения пар
может приводить к изотропизации, нетрудно понять, поскольку,
чем больше анизотропия, тем в большем количестве рождаются
пары. Пары частиц, кроме того, аннигилируют, и возникающий
при этом поток излучения распространяется во всех направле-
ниях, приводя таким образом к ослаблению анизотропии. Мы
можем поэтому полагать, что подобные экзотические процессы
предшествовали тому времени, которое охватывается общепри-
нятой моделью Большого взрыва.
ГРАВИТОНЫ
Гравитационным аналогом фотона электромагнитного излуче-
ния является квант гравитационного поля, или гравитон. Можно
ожидать, что ранняя Вселенная, если она была достаточно хаоти-
ческой, содержала большое число гравитонов, которые создава-
лись быстро меняющимися гравитационными полями. Однако
116
сегодня заметный фон коротковолновых космологических грави-
тонов мог бы существовать лишь в том случае, если бы условия
в первую миллисекунду соответствовали теории элементарных
частиц. Согласно такому подходу, температура при приближении
к сингулярности должна была возрастать неограниченно. Только
при таком сценарии высокая температура и большая плотность
излучения позволили бы гравитонам быть тесно связанными
с излучением и находиться с ним в равновесии. Как и фотоны,
гравитоны (но в существенно более раннюю эпоху из-за крайне
слабого взаимодействия) приобретают характерное распределе-
ние по энергиям. Однако по причине слабости взаимодействий
между гравитонами это не обязательно должно быть распределе-
ние, соответствующее черному телу. По мере падения плотности
вещества гравитоны выходят из равновесия и перестают взаимо-
действовать с веществом. После этого гравитоны испытывают
свободное расширение, сопровождающееся уменьшением их
энергии, вплоть до сегодняшней эпохи, когда характерная энер-
гия первичного гравитона должна была бы соответствовать тем-
пературе немногим меньше 1К или длине волны около 1 мм.
Согласно альтернативной точке зрения теории составных ча-
стиц, температура и плотность энергии гравитонов оставались
конечными и гравитоны никогда не достигали теплового равно-
весия с веществом; поэтому никакого коротковолнового космо-
логического гравитонного фона фактически не могло возникнуть.
Таким образом, в принципе мы имеем замечательный метод ис-
следования физических условий в очень ранней Вселенной.
К сожалению, энергия космологических гравитонов слишком
мала, чтобы их можно было обнаружить. Построены детекторы
гравитационного излучения. Они, как правило, состоят из спе-
циальным образом подвешенных алюминиевых цилиндров; гра-
витационное поле, возникающее при прохождении гравитонов
через цилиндр, вызывает в нем очень слабые колебания. Функции
имеющихся детекторов-пока не осуществленная из-за их недо-
статочной чувствительности - состоят в том, чтобы обнаружить
всплески гравитационного излучения, возникающие в процессе
коллапса звезд при образовании черных дыр. Как предполагает-
ся, всплески гравитационного излучения, сопровождающие такие
события, должны быть несравненно более интенсивными, чем
любой мыслимый реликтовый гравитонный фон, оставшийся от
очень ранней Вселенной. Проведение космологического измере-
ния с детектором гравитонов может оказаться возможным лишь
в том случае, если большие потоки гравитонов возникали в ка-
ких-то случайных процессах, включая гравитационный коллапс,
на более поздних стадиях эволюции Вселенной. Но вследствие
высокой симметрии этих более поздних стадий, которая выте-
кает из исследований изотропности космического фонового излу-
чения, подобная возможность кажется маловероятной, хотя пол-
ностью ее исключить нельзя.
117
ПЕРВИЧНЫЕ КВАРКИ
События, происходившие в первую миллисекунду существования
Вселенной, отнюдь не остаются предметом чисто умозрительных
рассуждений. Физики предприняли активные поиски наблюда-
тельных фактов, подтверждающих по меньшей мере два след-
ствия Большого взрыва, предсказываемые теорией. Наиболее
обещающим из двух направлений исследования является поиск
первичных кварков. Кварк-это фундаментальная частица, суще-
ствование которой постулировалось физиками-ядерщиками,
чтобы объяснить существование множества различных типов
элементарных частиц, открытых в последние годы на гигантских
ускорителях частиц. Отличительной особенностью кварка
является дробный заряд (равный либо 73, либо 2/3 заряда элек-
трона или протона); предполагается, что кварки должны служить
основными строительными блоками, из которых состоят все эле-
ментарные частицы. Хотя кварки еще не были выявлены, убеди-
тельное свидетельство в пользу их существования было получено
в экспериментах на ускорителях высоких энергий. Существование
кварков остается важной гипотезой теории элементарных частиц.
В ранней Вселенной должны были реализоваться уникальные
условия, при которых существовало огромное количество квар-
ков и антикварков. Когда температура соответствовала энергиям
свыше 1 ГэВ (1013К), происходили рождение и аннигиляция боль-
шого числа пар кварк-антикварк. После того как по мере рас-
ширения и охлаждения Вселенной температура падала, новые
пары кварк - антикварк уже не рождались и происходила почти
полная аннигиляция кварков и антикварков. Остался или нет ка-
кой-либо след от них, зависит от конкретных деталей (пока точ-
но не известных) характера взаимодействия между кварками
и другими частицами. Если притяжение между кварками, обусло-
вленное сильным взаимодействием, обращается в нуль на доста-
точно больших расстояниях, то должно было остаться чрезвы-
чайно малое число кварков, и их плотность упала бы настолько,
что в последующие моменты кварки и антикварки не могли бы
аннигилировать. Остаточное количество кварков (и антикварков)
составляло не более 1 кварка на миллиард атомов водорода. Но
в ходе эволюции Вселенной это количество остается почти по-
стоянным. Отдельный кварк может быть уничтожен только в ре-
зультате столкновения с антикварком, а характерное время, ко-
торое необходимо, чтобы произошли все такие столкновения,
согласно оценкам, превосходит современный возраст Вселенной.
Предсказываемое остаточное количество кварков во Вселенной
может быть сравнимо с количеством золота.
Эксперименты показали, что реальное количество кварков
в земных горных породах и морской воде намного меньше, чем
было предсказано. Весьма чувствительные методы, позволяющие
отличить кварки от обычных частиц, главным образом основы-
118
ваются на том, что кварки имеют дробный заряд. Оказалось, что
в морской воде на 1О20 атомов водорода приходится самое боль-
шее один кварк. Возможно, что недавно предпринятые попытки
обнаружить кварки в редких металлах окажутся успешными. Ве-
роятно, в очень тяжелых веществах кварки лучше сохраняются,
чем в более легких. Хотя это предположение еще не получило
подтверждения, возможность выживания свободных кварков
остается проблемой, которая может быть разрешена эксперимен-
тальным путем.
Сегодня еще не ясно, каким образом будет решена проблема
кварков. Если кварки существуют и если они отделены от анти-
кварков, что позволяет им избежать аннигиляции, то тот факт,
что не обнаружено сколько-нибудь заметного числа кварков, мо-
жет означать, что в ранней Вселенной температура не превышала
1013 К, что соответствует 1 ГэВ. Это имело бы далеко идущие
космологические последствия, и, возможно, в таком случае при-
шлось бы создавать теорию, в которой отсутствует горячий
Большой взрыв. Но можно подойти к проблеме иначе и при-
знать, что наши представления о природе кварков неверны. Ги-
потеза горячего Большого взрыва представляется не менее ра-
зумной, чем наши предположения о природе кварков. По-види-
мому, разумно сделать вывод, что действие огромных ядерных
сил должно значительно, хотя и не полностью, уменьшить воз-
можность выживания первичных кварков в виде свободных
частиц.
ЧЕРНЫЕ МИНИ-ДЫРЫ
Вторым следствием самой ранней фазы Большого взрыва может
быть образование черных мини-дыр. Постараемся понять, как
они возникают.
Поскольку теория Большого взрыва, по существу, не указы-
вает никаких прямых и убедительных, доступных эксперимен-
тальной проверке следствий, которые могли бы вытекать из на-
ших предположений о первых секундах Вселенной, можно
подвергнуть сомнению модель простого, однородного и изо-
тропного Большого взрыва. Не выходя за рамки умозрительных
предположений, кажется куда более вероятным, что из бесконеч-
ного множества возможных моделей ранней Вселенной реально-
сти соответствует та, согласно которой начало было в высшей
степени неоднородным и хаотическим. Конечно, все такие моде-
ли должны в конечном счете подойти к состоянию однородного
расширения, чтобы дать правильное описание наблюдаемой се-
годня Вселенной. Постулат о первичном хаосе можно сформули-
ровать количественно. Одна из таких моделей, впервые предло-
женная Чарльзом Мизнером, называется моделью «перемешанно-
го мира». Согласно этой модели, в ранней Вселенной происходи-
ли чередующиеся циклы одновременного расширения в двух
119
Рис. 45. Модель «перемешанного мира»
Хаотическая модель «перемешанного мира» является наиболее сложной из всех
космологических моделей. Вселенная изображается в виде жидкого шара, ко-
торый расширяется со временем, принимая в ходе своей эволюции ряд слу-
чайным образом ориентированных сигарообразных и блинообразных конфигу-
раций (а). Расширяясь в одном направлении, в другом направлении вселенная
сжимается. В каждом из направлений происходит чередование циклов расшире-
ния и сжатия. Изменение радиусов в трех взаимно перпендикулярных направле-
ниях (А, В и С) приводит к переходу блинообразных форм в сигарообразные,
тогда как их объем со временем возрастает (6); на рисунке показаны шесть по-
следовательных моментов времени.
направлениях и сжатия в перпендикулярном направлении
(рис. 45).
Одно из следствий модели чрезвычайно хаотической и неод-
нородной Вселенной состоит в том, что, когда амплитуда неод-
нородности превышает некоторое критическое значение, неиз-
бежно происходит коллапс всего вещества в определенной
локальной области пространства. Этот коллапс не останавли-
вается до тех пор, пока не образуется черная дыра, т. е. пока гра-
витационное поле в коллапсирующей области не станет настоль-
ко сильным, что сможет удерживать свет внутри этой области
(рис. 46). Если бы Солнце когда-либо сколлапсировало, образо-
вав черную дыру, то его размеры уменьшились бы почти в мил-
лион раз по сравнению с сегодняшними (радиус Солнца равен
1 млн. км).
Однако любые космологические черные дыры, образовавшие-
ся спустя менее 10“5 с после Большого взрыва, должны были
бы иметь массу намного меньше солнечной. Масса первичной
черной дыры определяется размером наблюдаемой Вселенной
в момент образования дыры. Если бы коллапсирующая область
была больше, чем наблюдаемая Вселенная, то происходило бы
нечто совершенно необычное: никакие частицы или лучи света не
могли бы ни уйти из этой области, ни попасть в нее. Это озна-
чает, что коллапсирующая область фактически оказалась бы аб-
солютно несвязанной с остальной Вселенной. В конце концов из
нее образовалась бы «отдельная вселенная».
Таким образом, мы должны рассматривать только те черные
дыры, массы которых сравнимы с массой, заключенной внутри
горизонта. Массы первых черных дыр, образовавшихся в план-
ковский момент, должны были составлять около 10“5 г. Черные
дыры больших размеров образовывались позднее.
Английский теоретик Стивен Хоукинг высказал мысль, что
самые мелкие черные дыры могут испаряться. Механизм испаре-
ния в каком-то смысле приводит к тому же результату, что и ан-
нигиляция частиц в самые ранние мгновения Вселенной.
Огромные силы вблизи поверхности черной дыры способны раз-
рывать виртуальные пары частиц в пространстве-времени, по-
рождая ливни излучения и частиц. Такие черные дыры должны
были бы погибать в интенсивном всплеске гамма-излучения вы-
сокой энергии.
Чем меньше черная дыра, тем быстрее она должна «стре-
миться» к самоуничтожению. В результате должны оставаться
только черные дыры, массы которых превышают 10 млрд, т, т. е.,
грубо говоря, массу небольшой горы. Размер такой дыры всего
лишь 10“7 мм, и поэтому их было бы нелегко обнаружить. Од-
нако такие черные дыры могут быть объектами весьма распро-
страненными, и в принципе возможны эксперименты по захвату
121
Рис. 46. Образование черной дыры
Неоднородности с большой плотностью, возникавшие в ранней Вселенной, мо-
гли коллапсировать, образуя черные дыры {вверху). Этот процесс можно изобра-
зить на пространственно-временной диаграмме {внизу), на которой изображена
только одна из трех пространственных координат. Когда вещество сжимается
до критического радиуса, свет не может покидать объект и остается захва-
ченным (стрелки обозначают световые лучи), «зависая» на этом расстоянии
и образуя границу черной дыры.
таких объектов спутниками и использованию их в качестве экзо-
тических источников энергии.
Возможно, более реальным представляется эксперимент по
обнаружению испарения несколько меньших по размерам пер-
вичных дыр, которые именно сегодня стоят на пороге оконча-
тельного разрушения. С помощью спутников было обнаружено
множество всплесков космического гамма-излучения, которые
пока не получили удовлетворительного объяснения. По мнению
некоторых теоретиков, не исключено, что источниками этих
всплесков могли бы служить умирающие черные дыры.
122
ВЕЩЕСТВО И АНТИВЕЩЕСТВО
Одним из первых достижений квантовой теории следует считать
предсказание античастиц. В соответствии с этим предсказанием
был открыт двойник электрона - позитрон и двойник прото-
на-антипротон. Земля состоит в основном из вещества, а не ан-
тивещества. Античастицы, которые возникают в ливнях космиче-
ских лучей или на ускорителях частиц, недолго живут в земном
окружении. Как только они замедляются, становится неизбежной
их быстрая аннигиляция с соответствующей частицей.
Действительно ли Вселенная состоит преимущественно из ве-
щества, а не из антивещества-это одна из величайших загадок
космологии. Является ли наша наземная лаборатория типичной
и для всей остальной Вселенной? Мы можем с уверенностью
считать, что в нашей Галактике нет звезд из антивещества,
в противном случае в заполняющей все пространство межзвезд-
ной среде происходила бы аннигиляция и гамма-излучение испу-
скалось бы со скоростью, заметно превосходящей наблюдаемую.
Однако в безмерных глубинах межгалактического пространства
вещество может быть совершенно иным. Действительно, могли
бы существовать целые антигалактики-системы антизвезд, со-
стоящих из антивещества. Эти системы были бы неотличимы от
обычных галактик.
Одна из трудностей, связанных с представлением об антига-
лактиках, заключается в следующем: как реализуется раздельное
существование галактик и антигалактик. Их может разделять пу-
стое пространство, но в ранней Вселенной области, содержащие
галактики и антигалактики, должны были находиться в сравни-
тельно тесном контакте друг с другом. По-видимому, при таких
условиях аннигиляция была неизбежна, особенно по той причине,
что, как мы сегодня знаем, области межгалактического простран-
ства заполнены разреженным газом. Взаимодействие с этим га-
зом и делает неизбежными процессы аннигиляции в областях из
антивещества, порождающие наблюдаемое гамма-излучение
(рис. 47). Таким образом, мы приходим к заключению, что скорее
всего Вселенная в принципе несимметрична: вещество в ней до-
минирует над антивеществом.
Согласно ограничениям, которые накладывают наблюдения
гамма-излучения, сегодня этот избыток вещества над антивеще-
ством должен быть очень велик, но в очень ранней Вселенной ко-
личества вещества и антивещества, по-видимому, были почти
равны, поскольку на очень ранних стадиях поле излучения дол-
жно было в изобилии создавать пары частица - античастица.
В этой среде должны были встречаться случайные протоны
и электроны. Однако на каждые 100 млн. фотонов и пар частиц
приходился всего лишь 1 избыточный протон. Симметричная со-
ставляющая Вселенной (пары частиц и фотоны) в 100 млн. раз
превышала несимметричную часть (избыточные протоны и элек-
123
Рис. 47. Галактики и антигалактики
Когда вещество и антивещество тесно сближаются, должна происходить анниги-
ляция. Это приводит к интенсивному испусканию гамма-излучения, которое мо-
жет быть обнаружено телескопом, выведенным в космос. Отсутствие интенсив-
ного потока гамма-излучения указывает на то, что лишь малая часть
наблюдаемой Вселенной может состоять из антивещества. Вполне возможно,
хотя маловероятно, что какой-то неизвестный процесс препятствует аннигиля-
ции, разделяя галактики и гипотетические антигалактики.
троны). Фотоны обладали достаточной энергией, поэтому связан-
ная с ними масса была настолько велика, что фотоны являлись
доминирующей формой материи (напомним, что Е = тс2). И все
же по мере снижения энергии излучения (когда энергия каждого
фотона падала) и аннигиляции пар доминирующей составляю-
щей становилось избыточное вещество. Средняя энергия фотона
в космическом фоновом излучении составляет сегодня всего
лишь 0,001 эВ. Вследствие этого масса материи во Вселенной се-
годня определяется атомами вещества.
Когда-то, несколько секунд спустя после сингулярности, Все-
ленная была в высокой степени симметричной. Однако очень
важно, что все-таки она была не абсолютно симметричной, имен-
но это и определило наше существование. Почему несимметрия
ранней Вселенной была так мала? Это одна из самых волную-
щих загадок в теории Большого взрыва. Успехи физики элемен-
тарных частиц, достигнутые в последнее время, указали воз-
можный путь решения этой проблемы. Согласно новой и пока
умозрительной теории, объединяющей сильное ядерное взаимо-
действие со слабым и электромагнитным, вскоре после планков-
124
ского момента должны были образоваться сверхмассивные ча-
стицы, в результате несимметричного распада которых возни-
кает немного больше частиц, чем античастиц. Равные количества
частиц и античастиц почти полностью аннигилировали. После
этого сохранялся некоторый остаток вещества (в принципе воз-
можно, что и антивещества), который теперь составляет все ве-
щество в наблюдаемой Вселенной. Аннигилировавшие частицы
превратились в фоновое излучение, которое в конце концов охла-
дилось до его сегодняшней температуры ЗК. В последующих
главах мы проследим эволюцию этого избытка вещества (остав-
шегося после Большого взрыва и сохранившегося в ходе анниги-
ляций), которое и составляет наблюдаемую ныне Вселенную.
ТЕРМОЯДЕРНАЯ
ДЕТОНАЦИЯ
ВСЕЛЕННОЙ
Если бы бог, создавая мир, спросил у меня совета, я бы
подсказал ему, как устроить Вселенную попроще.
Альфонс Мудрый
Спустя несколько миллисекунд после Большого взрыва пары
адронов, тяжелых элементарных частиц, практически полностью
проаннигилировали. Завершилась адронная эра, когда доминиро-
вали сильные взаимодействия (благодаря которым нуклоны свя-
заны в ядра); далее в игру вступили слабые взаимодействия. В ре-
зультате слабых взаимодействий происходил радиоактивный
распад свободных нейтронов, оставшихся после адронной эры,
на электроны и протоны (и некоторые другие процессы). Неболь-
шое, но играющее важную роль количество нейтронов осталось
от предшествовавшей эры, потому что не хватило соответствую-
щих античастиц, с которыми они могли бы проаннигилировать.
Слабые взаимодействия охватывают также неуловимые части-
цы- нейтрино и антинейтрино. Хотя эти частицы и не имеют
массы, они обладают спином и энергией. Нейтрино и антиней-
трино, наряду с электронами и позитронами, относятся к классу
частиц, называемых лептонами (легкими частицами), так что мы
можем сказать, что после окончания адронной эры наступает
лептонная эра. В лептонную эру Вселенная состоит из фотонов,
нейтрино и антинейтрино, и в течение короткого периода
в самом начале эры присутствуют также электрон-позитронные
пары.
НЕЙТРОНЫ
Пожалуй, самым важным является то, что за счет слабых взаи-
модействий происходит реакция слияния протона и электрона,
в результате чего образуются нейтрон и антинейтрино [9]. Бла-
годаря этой реакции возникает большое количество нейтронов,
которое становится сравнимым с числом протонов. Однако для
протекания названной реакции необходимо большое количество
электронов; но, когда возраст Вселенной достигает 1 с, ситуация
довольно резко меняется и условия перестают быть благо-
приятными для этой реакции. На этой стадии температура па-
дает ниже 10 млрд. К (1 млн. эВ) и электрон-позитронные пары
аннигилируют. Реакции, в ходе которых происходит рождение
нейтронов, прекращаются, но еще остается значительное число
126
нейтронов. Фактически на каждые шесть протонов приходится
один нейтрон. Это соотношение - один нейтрон на шесть прото-
нов-зависит главным образом от разности масс нейтрона и про-
тона и, следовательно, не связано с какой-либо конкретной мо-
делью в общепринятой теории Большого взрыва.
Затем происходит ряд событий, в которых нейтроны являют-
ся жизненно необходимой компонентой. Свободный нейтрон-не-
стабильная частица и спонтанно распадается приблизительно за
15 мин. Нейтроны также играют важную роль в ядерных реак-
циях деления и синтеза. Соединение нейтронов с ядрами приво-
дит к образованию более массивных и стабильных ядер. Благо-
даря большим ядерным силам, которые связывают нейтроны
с протонами, масса нового ядра оказывается немного меньше,
чем масса составляющих его частей. Энергия связи, удерживаю-
щая ядро как целое, проявляется в дефекте массы; эта огромная
энергия высвобождается при синтезе ядер (именно так в водо-
родной бомбе, где водород превращается в гелий, небольшая
разность между массой одного ядра гелия и массой четырех про-
тонов превращается в колоссальную энергию). Процесс, в резуль-
тате которого более тяжелые элементы синтезируются из более
легких, называют термоядерным синтезом.
ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ
Ранняя Вселенная во многом была похожа на водородную бом-
бу, хотя Вселенная не нуждалась в атомном «спусковом крючке»,
который действует аналогично атомной бомбе и обеспечивает
высокую температуру, необходимую для протекания реакции
синтеза. Сначала нейтроны оставались свободными, их энергия
была слишком велика, чтобы они могли вступать в реакцию.
Приблизительно через минуту, когда температура упала до
1 млрд. К, начинаются реакции синтеза. Сначала нейтрон за-
хватывается протоном и образуется ядро дейтерия (тяжелого во-
дорода). Дейтерий легко поглощает нейтроны. В ядерных реакто-
рах широко используется тяжелая вода (HDO), в которой один
из атомов водорода в Н2О замещен атомом дейтерия, поскольку
тяжелая вода обладает большой поглощательной способностью
по отношению к нейтронам. Затем дейтерий захватывает еще
один нейтрон и образуется тритий, и, наконец, тритий вступает
в реакцию с протоном и возникает гелий. Почти все нейтроны
оказываются связанными в ядрах гелия. Поскольку каждое ядро
гелия содержит два нейтрона и два протона, в результате на
каждые десять ядер водорода приходится одно ядро гелия
(рис. 48). Большой взрыв создал гелий. Предсказываемое теорией
соотношение гелия и водорода во Вселенной может быть изме-
нено лишь в том случае, если мы существенно модифицируем
теорию Большого взрыва. Стандартной моделью мы будем счи-
тать однородный и изотропный Большой взрыв.
127
Рис. 48. Ядерный синтез в закрытой модели Вселенной
На этом графике представлены процессы синтеза дейтерия и гелия в ранней Все-
ленной. Ядерные реакции начинают эффективно протекать по прошествии одной
минуты. Количество дейтерия достигает максимума (который составляет около
1% по массе относительно водорода), а затем падает до очень низкого значения.
Тем временем количество гелия возрастает приблизительно до 30% по массе от-
носительно всего вещества.
Предложены модели, в корне отличные от стандартной моде-
ли. Одна из альтернативных моделей исходит из наличия очень
сильной турбулентности в течение эпохи термоядерного синтеза.
Другая альтернативная модель основана на том, что гравита-
ционная сила в прошлом была намного больше, чем сегодня.
В любом случае дело сводится к ускорению темпа расширения
ранней Вселенной, в результате чего нейтроны должны были рас-
падаться прежде, чем они могли бы эффективно вступить в реак-
ции. А это означает, что гелий практически не мог бы образовы-
ваться. Более умеренное ускорение процесса расширения должно
было бы фактически привести к повышению эффективности
образования первичных нейтронов и, следовательно, увеличению
количества образовавшегося гелия.
ГЕЛИЙ ВО ВСЕЛЕННОЙ
Астрономические наблюдения, связанные с определением содер-
жания гелия в современной Вселенной, налагают чрезвычайно
серьезные ограничения на условия, которые могли существовать
в ранней Вселенной, когда ее возраст был равен всего лишь ми-
нуте. Гелий был обнаружен повсюду в нашей Галактике и мно-
гих соседних галактиках. Области, в которых имеется гелий,
128
включают туманности из ионизованного газа, окружающие мо-
лодые звезды, и атмосферы старых звезд; гелий также входит
в число частиц высокой энергии, называемых космическими лу-
чами, которые пронизывают межзвездное пространство. Гелий
был обнаружен и в очень далеких объектах, обладающих боль-
шой светимостью, которые называются квазарами. Количество
других элементов сильно изменяется от источника к источнику,
что представляется вполне естественным, если принять во внима-
ние весьма большие различия в эволюции различных областей
Вселенной. Однако во всех случаях наблюдения неизменно
указывают на то, что повсюду на каждые 10 ядер водорода при-
ходится 1 ядро гелия, и это соотношение не бывает ни суще-
ственно больше, ни существенно меньше. Столь сильное свиде-
тельство повсеместного распространения гелия делает гипотезу
о первичном происхождении его в ходе Большого взрыва весьма
притягательной.
Количество гелия, образовавшегося в Большом взрыве, срав-
нительно мало зависит от небольших изменений в стандартной
модели. В этом плане имеется некоторое различие между моде-
лями открытой вселенной, которая всегда будет расширяться,
и закрытой вселенной (расширение которой должно в конце кон-
цов смениться сжатием). На первый взгляд этот результат кажет-
ся весьма удивительным. Эпоха термоядерного синтеза опреде-
ляется в первую очередь значением температуры, которая
в процессе ядерного синтеза должна достигать около 1 млрд.К,
в любой космологической модели. Следовательно, принципиаль-
ное различие между двумя названными моделями заключается
в том, что в модели открытой вселенной плотность вещества
в эпоху ядерного синтеза должна быть намного ниже, чем в мо-
дели закрытой вселенной. Однако поскольку нейтроны весьма
эффективно расходуются, соединяясь с протонами и образуя
ядра гелия, понижение плотности на один или два порядка дол-
жно означать лишь понижение скорости реакции, но практически
не влияет на окончательное содержание гелия.
ДЕЙТЕРИЙ
Хотя образование гелия должно быть почти одинаковым как
в открытой, так и в закрытой модели Большого взрыва, оказы-
вается, что важный побочный продукт реакции синтеза, дейтерий,
крайне чувствителен к плотности (рис. 49). Согласно как откры-
той, так и закрытой модели, должно производиться большое ко-
личество дейтерия, но затем дейтерий разрушался в результате
столкновений с протонами. Поскольку в течение эпохи ядерного
синтеза плотность вещества в открытой модели оказывается
меньше, чем в закрытой, открытая модель предполагает менее
сильное разрушение дейтерия за счет столкновений. Следова-
тельно, результирующее количество дейтерия, согласно откры-
5-896
129
Рис. 49. Зависимость ядерного синтеза от средней плотности вещества во
Вселенной
Количество гелия, образовавшегося в Большом взрыве, слабо зависит от сегод-
няшней плотности Вселенной, т. е. от того, является ли Вселенная открытой или
закрытой. Однако количество дейтерия во Вселенной существенно зависит от
плотности вещества во Вселенной. Прямоугольники указывают интервал коли-
чества дейтерия, совместимый с результатами наблюдений. Открытая (с малой
плотностью) модель дает достаточное количество дейтерия, чтобы объяснить
его содержание, наблюдаемое ныне, но стандартная закрытая модель (плотность
больше 5-10“ 30 г/см3) практически совсем не дает первичного дейтерия.
той модели, может существенно возрастать по сравнению с его
количеством, предсказываемым закрытой моделью.
Дейтерий-сравнительно малораспространенный изотоп. Как
обнаружено, на 30000 атомов водорода приходится примерно
1 атом дейтерия (рис. 50). Однако в отличие от всех других тя-
желых атомов дейтерий не может создаваться в звездах. При вы-
соких температурах, существующих в центрах звезд, сравнитель-
но непрочный дейтерий должен был бы полностью разрушаться.
Значит, весь дейтерий, который мы сегодня наблюдаем в Галак-
тике, вероятно, синтезировался в первые минуты Большого взры-
ва. Поскольку, согласно стандартной закрытой модели, дейтерия
практически не должно производиться, мы можем заключить,
что либо Вселенная открыта, либо Большой взрыв должен
описываться нестандартной моделью. Например, локальное
ускорение темпа расширения в эпоху ядерного синтеза, охваты-
130
971,90	972,80	949,00	949,90	937,00	937,90
Длина волны, А
Рис. 50. Наблюдения дейтерия
Профили межзвездных линий поглощения в ультрафиолетовом спектре яркой
звезды, полученные космическим спутником «Коперник» - орбитальной космиче-
ской обсерваторией, демонстрируют присутствие в спектрах узких абсорб-
ционных линий, связанных с дейтерием. Лежащее на луче зрения холодное меж-
звездное газовое облако поглощает свет от звезды, и широкие линии
обусловлены поглощением излучения атомами водорода, распространенными
несравненно более широко, чем атомы дейтерия. Показанные здесь линии со-
ответствуют поглощению при переходах из основного состояния атомов водо-
рода (и дейтерия) во второе (р Лаймана), третье (у Лаймана), четвертое (8 Лай-
мана) и пятое (е Лаймана) возбужденные состояния. Переход атомов водорода
в первое возбужденное состояние (что соответствует поглощению a-линии серии
Лаймана) приводит к появлению в спектре такой широкой линии, что она мас-
кирует присутствие дейтерия. При каждом из этих переходов происходит погло-
щение света звезды на определенной длине волны, которая соответствует энер-
гии возбужденного электрона. В результате получается набор темных линий,
наложенных на яркий спектр излучения. На рисунке представлен спектр, т. е. ко-
личество света, измеренного на любой заданной длине волны. В межзвездном
газе должно присутствовать заметное количество дейтерия, порядка 1 атома
дейтерия на 3 • 104 атомов водорода.
5*
вающее область, сравнимую по размеру с наблюдаемой на тот
момент Вселенной, могло бы подавить разрушение дейтерия за
счет столкновений с протонами, поскольку при таком темпе рас-
ширения столкновения не успевали бы происходить. Поэтому
дейтерий должен был бы оставаться в больших количествах. Да-
же если бы такое ускорение произошло лишь в малой части Все-
ленной, то и тогда образовавшегося дейтерия после перемешива-
ния с веществом из невозмущенных областей оказалось бы
достаточно, чтобы объяснить наблюдаемое сегодня его количе-
ство. Любой избыток гелия, который мог бы при этом возни-
кать, должен был бы соответствующим образом растворяться
в основной массе вещества Вселенной, давая стандартное содер-
жание гелия.
Все попытки доказать возможность синтеза дейтерия в Боль-
шом взрыве приводят к удручающе неубедительным результа-
там. Хотя количество дейтерия, произведенного в ходе Большого
взрыва, должно зависеть от рассматриваемой космологической
модели и наблюдаемое содержание дейтерия можно объяснить
в рамках открытой (но не закрытой) стандартной модели, остает-
ся еще ряд альтернативных нестандартных моделей, которые, бу-
дучи закрытыми, предсказывают достаточное количество дейте-
рия. Но вопрос еще более запутывает следующее обстоятель-
ство: дейтерий не создавался в обычных звездах, однако это не
исключает возможной догалактической фазы эволюции мас-
сивных звезд, в которых мог бы производиться дейтерий. Заман-
чиво, исходя из наблюдаемого количества дейтерия, делать кос-
мологические выводы, но мы не можем рассматривать его как
надежное свидетельство в пользу открытой стандартной модели.
Элементы тяжелее гелия не возникали в Большом взрыве
в сколько-нибудь заметных количествах, исключение составляют
некоторые изотопы лития и бора. Природа вещества такова, что
не существует стабильных изотопов с массовыми числами,
равными пяти или восьми. Поэтому процесс захвата нейтронов,
являющийся многоступенчатым, должен обрываться на этом эта-
пе. Ядро гелия не может захватить протон или еще одно ядро ге-
лия и образовать новое стабильное ядро. Единственный путь
преодолеть это препятствие - воспользоваться для объяснения
другим ядерным процессом. Принципиально иной процесс-это
захват ядра гелия двумя другими такими же ядрами. Для проте-
кания такого процесса требуются физические условия (достаточ-
но большая плотность в течение достаточно большого времени),
которые не достигаются в теории Большого взрыва. К моменту
образования гелия плотность вещества была слишком мала,
чтобы мог происходить какой-либо дальнейший синтез ядер. По-
лагают, что элементы тяжелее гелия возникли в центральных
областях звезд в ходе их эволюции или же во время взрывов
сверхновых в сравнительно недавние эпохи. Мы вернемся к этой
теме в гл. 15.
ПОЯВЛЕНИЕ ПЕРВИЧНОГО
ОГНЕННОГО ШАРА
Это не конец. И даже не начало конца. Но это, воз-
можно, конец начала.
Уинстон Черчилль
Через несколько минут после Большого взрыва ядерный фейер-
верк прекратился. В следующие треть миллиона лет расширение
Вселенной происходило без особых происшествий. Мы называем
этот период радиационной эрой-в этом названии отражено по-
явление первичного огненного шара.
Откуда известно, что этот горячий, густой «бульон» из пер-
вичного вещества и излучения эволюционировал спокойным
и регулярным,образом? Как мы видели в гл. 7, однородность
и изотропность космического расширения, следующая из теории,
подтверждается нашими непосредственными наблюдениями по-
всеместного и более или менее равномерного распространения
гелия в сегодняшней Вселенной, а также наблюдениями очень
малого, но все-таки существенного количества дейтерия. Поэто-
му реальное расширение вряд ли слишком отличалось от расши-
рения, описываемого стандартной моделью.
Но хотелось бы найти еще какие-нибудь более прямые про-
явления этой ранней эры Вселенной. Конечно, мы не можем не-
посредственно наблюдать первичный огненный шар, и фактиче-
ски это оказалось бы невозможным даже для гипотетического
наблюдателя, который мог бы жить в ту эпоху, так как Вселен-
ная была совершенно непрозрачной, пока ее возраст не достиг
миллиона лет.
Непосредственное наблюдение ранней Вселенной было неосу-
ществимо, пока плотность и температура не упали настолько,
что вещество могло бы стать прозрачным, а излучение могло бы
свободно распространяться. Пока не прошло триста тысяч лет
с момента образования Вселенной, наблюдение ее напоминало
бы попытку разглядеть что-нибудь в густом тумане. Однако есть
способы частично проникнуть сквозь этот туман. Прежде чем
приступить к их описанию, обратимся к весьма существенной
всепроникающей компоненте ранней Вселенной, которую до сих
пор еще не удалось обнаружить.
133
НЕУЛОВИМЫЕ НЕЙТРИНО
Когда произошла аннигиляция электрон-позитронных пар-воз-
раст Вселенной был тогда около одной секунды,-излучение ста-
ло доминирующей частью Вселенной. Сначала в изобилии при-
сутствовало гамма-излучение. Фотоны этого излучения, обла-
дающие огромной проникающей способностью, в обычных
условиях возникают при ядерных взрывах и при радиоактивном
распаде нестабильных ядер. Присутствовали также нейтрино
и антинейтрино-элементарные частицы, имеющие нулевую мас-
су (покоя), но обладающие энергией и спином. Нейтрино чрезвы-
чайно слабо взаимодействуют с веществом, и вследствие этого
их очень трудно обнаружить. Согласно теории, предполагающей,
что источником солнечной энергии служат ядерные реакции,
ядро Солнца должно испускать мощные потоки нейтрино высо-
ких энергий. Однако попытки измерить достаточное число сол-
нечных нейтрино пока не увенчались успехом.
Чтобы обнаружить нейтрино, образующиеся в ядерных реак-
циях, благодаря которым светит Солнце, ученые воспользова-
лись огромным нейтринным «телескопом». Это устройство со-
стоит из резервуара, заполненного хлоркой, окруженного во-
дяным кожухом и помещенного глубоко под Землей внутрь
шахты, в которой когда-то добывали золото. Проходя через
хлорку, нейтрино вызывают ядерную реакцию, которая позво-
ляет экспериментаторам заметить прохождение нейтрино. В ос-
нове этого метода обнаружения нейтрино лежит реакция между
изотопом хлора и нейтрино, в результате которой образуются
ядро аргона и электрон. Хотя эта реакция случается очень ред-
ко-согласно предварительным оценкам, несколько раз в ме-
сяцев том, что она все-таки происходит, можно убедиться, вос-
пользовавшись очень чувствительным методом обнаружения
ничтожных следов аргона. Шахта была выбрана в качестве места
проведения эксперимента потому, что единственным возможным
источником аргона там были солнечные нейтрино. Космические
лучи, например, являются помехой, которую следует исключить.
Хотя поток нейтрино, испускаемых Солнцем, как предполагается,
достаточно велик, лишь немногие из нейтрино поглощаются при
прохождении сквозь Землю. Недавние эксперименты по обнару-
жению нейтрино оказались в некотором смысле успешными; од-
нако количество нейтрино, поглотившихся хлоркой, оказалось
относительно мало по сравнению с предсказанной величиной.
Что говорит этот эксперимент о структуре самых внутренних
областей Солнца, по-прежнему остается неясным, и многие спе-
циалисты считают, что данные по солнечным нейтрино пока но-
сят лишь предварительный характер и не позволяют делать ка-
кие-либо окончательные и бесспорные выводы.
Хотя на каждый атом во Вселенной приходится 100 млн. ней-
трино, энергия нейтрино, оставшихся после Большого взрыва,
134
падала по мере расширения Вселенной. Сегодня их энергия со-
ставляет всего лишь 0,001 эВ, что должно быть более чем в мил-
лиард раз меньше энергии солнечных нейтрино. К сожалению, те
немногие известные на сегодня способы детектирования нейтри-
но рассчитаны на достаточно высокую энергию нейтрино, при
которой становятся возможными те или иные ядерные реакции.
Следовательно, существующее количество космологических фо-
новых нейтрино остается до сих пор не проверенным предсказа-
нием теории Большого взрыва. Никаких прямых наблюдений
этих нейтрино, заполняющих Вселенную, в обозримом будущем
не ожидается. (Однако если исходить из нестандартной модели
Большого взрыва, согласно которой в ранние моменты количе-
ство нейтрино сильно превосходило количество антинейтрино, то
возможны и наблюдаемые эффекты. В этом случае образование
нейтрино должно быть подавлено, что соответственно повлияло
бы на последующий ядерный синтез: гелий образовался бы
в очень малых количествах или вообще не мог бы образоваться.
При обратной ситуации - избытке антинейтрино над нейтри-
но-было бы подавлено образование протонов, что также дол-
жно было бы привести к возникновению малого количества ге-
лия.) Непосредственным образом измерить нейтрино, оставшиеся
от ранней Вселенной, можно было бы в том случае, если бы их
было так много, что они оказывали бы заметное гравитационное
влияние; такая ситуация предусматривается некоторыми нестан-
дартными моделями Большого взрыва. Тогда, возможно, нам
удастся заметить их существование1.
ХАРАКТЕРНЫЕ СВОЙСТВА
ФОНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
По мере расширения Вселенной фоновое излучение прошло через
весь спектр, переходя из гамма-излучения в рентгеновское, затем
в ультрафиолетовое, оптическое, инфракрасное, и, в конце кон-
цов, энергия фотонов упала до величины, соответствующей диа-
пазону радиоволн. В любой заданный момент времени эффектив-
ная температура фонового излучения имела определенное
значение, и спектр излучения всей Вселенной однозначно опреде-
лялся этой температурой.
Излучение и вещество были неразрывно связаны, поэтому
единственной характеристикой излучения, имеющей смысл,
1 В 1980 г. появились сообщения об экспериментах Любимова, Третьякова
и др. (Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва), из ко-
торых следует, что нейтрино, вероятно, обладают массой покоя, отличной от ну-
ля и равной 5 • 10“32 г. Если эти выводы подтвердятся, то суммарная масса всех
нейтрино сегодня должна заметно превышать массу обычных элементарных ча-
стиц и силы тяготения, обусловленные нейтрино, должны сильно влиять на эво-
люцию Вселенной и образование галактик-Прим. ред.
135
является его температура. Вообразите, что вы взяли очень ред-
кий и дорогой автомобиль и разломали его на мелкие части.
В результате получилась куча хлама, которая неотличима от
обломков обычного автомобиля. Аналогично мы можем описать
поле излучения в ранней Вселенной, задав только его температу-
ру,-любая другая информация потеряна в «первичном бульоне».
Ранее мы говорили о фоновом излучении как о равновесном
излучении черного тела. Распределение излучения по длинам
волн (или частотам), т. е. его спектр, имеет максимум на некото-
рой определенной частоте, которая определяет цвет излучения.
Цвет зависит только от температуры (стенок-в случае черного
ящика), иначе говоря, от средней энергии атомов, которые эффек-
тивно взаимодействуют с излучением. Такое излучение всегда
возникает при тепловом равновесии, когда происходит полный
обмен энергией между излучением и его окружением. Многие на-
ши усилия, направленные на то, чтобы изолировать наше жиз-
ненное пространство или просто выжить, в конечном счете сво-
дятся к тому, чтобы избежать теплового равновесия. Ранняя
Вселенная была той уникальной средой, где высокая плотность
и высокая температура гарантировали тепловое равновесие.
Излучение черного тела обладает несколькими основными
свойствами. Его характерная длина волны зависит только от
температуры. Когда температура падает, спектр излучения со-
храняет ту же форму, но максимум смещается в сторону более
длинных волн. Распределение интенсивности этого излучения по
длинам волн называется законом излучения Планка-в честь
Макса Планка, одного из основоположников современной кван-
товой теории. Средняя энергия фотона теплового (равновесного)
излучения пропорциональна температуре излучения или обратно
пропорциональна длине волны фотона. Типичное расстояние ме-
жду любыми двумя фотонами такого излучения по порядку ве-
личины равно их средней длине волны.
Одно следствие из перечисленных свойств излучения черного
тела заключается в том, что число фотонов этого излучения в за-
данном объеме должно изменяться обратно пропорционально
кубу их средней длины волны, т. е. пропорционально кубу харак-
терной температуры излучения. По мере расширения Вселенной
длина волны излучения пропорционально увеличивается. Это
явление есть не что иное, как доплеровское смещение, о котором
шла речь в гл. 3. Таким образом, фотоны теряют энергию, и
с расширением Вселенной увеличивается средняя длина волны
излучения, а его температура падает.
Другое следствие, вытекающее из свойств излучения черного
тела, состоит в том, что полная энергия излучения в заданном
объеме пропорциональна средней энергии одного фотона, умно-
женной на число фотонов в этом объеме. Поскольку энергия фо-
тона пропорциональна температуре, а число фотонов пропорцио-
нально кубу температуры, плотность энергии излучения пропор-
136
циональна температуре в четвертой степени. В гл. 5 мы уже
видели, что плотность вещества (в виде атомов) обратно пропор-
циональна сопутствующему объему. Отсюда следует, что плот-
ность вещества пропорциональна числу фотонов в заданном
объеме, т. е. пропорциональна кубу температуры.
ПЛОТНОСТЬ ВЕЩЕСТВА
И ИЗЛУЧЕНИЯ
Сравнение плотности вещества с плотностью излучения может
нам многое сказать об условиях в ранней Вселенной. Излуче-
ние-это форма энергии и массы, и мы можем выразить энергию
через массу, поделив энергию на квадрат скорости света-в со-
ответствии со знаменитым соотношением Эйнштейна Е = тс2.
В настоящее время температура излучения равна всего лишь ЗК
и плотность излучения мала по сравнению с плотностью атомов.
Плотность излучения составляет приблизительно 0,0001 полной
плотности массы, которую мы можем наблюдать в виде галак-
тик и звезд. Однако, чем более раннюю эпоху мы будем рассма-
тривать, тем большую роль играла там плотность излучения.
Отношение плотности излучения к плотности вещества пропор-
ционально температуре излучения. Поэтому, когда температура
была примерно в 10000 раз выше, чем сегодня (т. е. когда размер
Вселенной был равен 0,0001 сегодняшнего размера), плотность
излучения равнялась плотности вещества. В еще более ранние
эпохи плотность излучения намного превосходила плотность ве-
щества. Это означает, что гравитация в ранней Вселенной в ос-
новном определялась плотностью излучения во Вселенной. Если
проследить эволюцию Вселенной еще дальше в прошлое, то
роль вещества становится все менее заметной, вплоть до пример-
но первой секунды, когда температура была так высока, что про-
исходило рождение заметного количества пар частица - антича-
стица. В течение этой стадии массы лептонов были примерно
сравнимы с эквивалентной энергией фотонов. В первую секунду
расширения количества электронов, позитронов и фотонов были
более или менее равны.
Хотя плотность энергии излучения растет быстрее, чем плот-
ность вещества,-если проследить их изменение ко все более ран-
ним эпохам,-число фотонов, как и число частиц, зависит только
от размера сопутствующего объема, зафиксированного спустя
1 с после окончания аннигиляции пар. Под числом частиц мы по-
нимаем разность между числом частиц и числом античастиц. Хо-
тя происходит рождение (и уничтожение) пар частица-антича-
стица, полное число частиц изменяется только при изменении
объема. Это приводит нас к выводу, что отношение числа фото-
нов к числу атомов остается неизменным, если проследить за
эволюцией Вселенной в прошлое вплоть до эпохи рождения пар.
137
В процессе рождения (и аннигиляции) пар возникают (и уничто-
жаются) фотоны. В настоящее время на каждый атом во Вселен-
ной приходятся примерно 100 млн. фотонов теплового излуче-
ния. Мы знаем это из прямых измерений сегодняшней темпера-
туры излучения и средней плотности атомов во Вселенной.
В наиболее ранние моменты расширения количества пар
частиц и фотонов были сравнимы, т. е. Вселенная содержала по-
чти равные количества вещества и антивещества. Избыток веще-
ства над антивеществом составлял тогда всего лишь 10~8 (одну
стомиллионную). Этим ничтожным избытком и определяется ре-
зультирующее отношение числа фотонов к числу частиц. Спустя
примерно миллисекунду после начала расширения происходила
аннигиляция протонов и антипротонов, а аннигиляция электрон-
позитронных пар началась примерно через секунду. Оставшиеся
частицы обязаны своим существованием этой ничтожно малой
асимметрии Большого взрыва. То, что осталось после процесса
аннигиляции, приобрело вид 100 млн. фотонов теплового излуче-
ния на каждое сохранившееся атомное ядро. Как мы знаем из
гл. 6, происхождение этого соотношения-100 млн. фотонов на
1 частицу-является одной из неразгаданных тайн космологии
Большого взрыва.
Кроме фонового излучения, от первой секунды могла оста-
ваться еще одна форма энергии. Однако ее очень трудно обнару-
жить. Речь вновь идет о нейтринном фоне, который, как пред-
сказывает теория, остался после самых первых секунд. Плот-
ность энергии нейтринного фона должна быть того же порядка
(но чуть меньше), что и у теплового излучения, и мы можем оха-
рактеризовать ее, введя понятие эффективной нейтринной темпе-
ратуры, которая сегодня должна составлять около 2К. Как и
в случае фотонов, эти неуловимые нейтрино должны быть лишь
бледной тенью тех частиц высокой энергии, которые играли
определяющую роль в эволюции ранней Вселенной. Если бы мы
смогли обнаружить эти космические нейтрино малых энергий,
то, возможно, мы получили бы подтверждения наших представ-
пений о радиационной эре, о которой мы узнали благодаря те-
пловому фоновому излучению.
ТЕМПЕРАТУРА ИЗЛУЧЕНИЯ
Чтобы до конца понять, что означает температура излучения
в применении к расширяющейся Вселенной, вернемся к первой
миллисекунде после Большого взрыва. Тогда существовало
много типов частиц и античастиц; они аннигилировали, создавая
излучение, и, кроме того, сами рождались излучением. Поскольку
в ходе этих реакций частицы и фотоны одновременно уничтожа-
лись и возникали, между веществом и излучением поддерживал-
ся баланс-существовало тепловое равновесие между веществом
и излучением. Когда протоны и антипротоны находились в те-
138
пловом равновесии, температура должна была превышать 10000
млрд. К (или 1 Гэв энергии на частицу); когда же в тепловом
равновесии оставались одни только позитроны и электроны, тем-
пература упала до 10 млрд. К. По мере расширения Вселенной
излучение «остывало» и фотоны заполняли все больший объем,
при этом их длина волны увеличивалась. Когда температура упа-
ла ниже 10 млрд. К, электрон-позитронные пары почти пол-
ностью исчезли. Осталось излучение, первоначально имевшее ха-
рактерную температуру, соответствующую массе покоя электро-
на (около 5 млрд.К). Это излучение носило чисто тепловой
характер, поскольку все фотоны возникли тогда, когда вещество
и излучение находились в равновесии.
РАССЕЯНИЕ
После того как проаннигилировали электрон-позитронные пары,
равновесие поддерживается все с большим трудом, но, кроме ох-
лаждения, обусловленного расширением, на спектре излучения
мало что могло сказаться. Спектр излучения черного тела почти
не изменился, потому что остаточная плотность вещества и излу-
чения были достаточно велики, так что атомы и фотоны остава-
лись тесно связанными друг с другом. Эта связь поддерживалась
за счет частых столкновений фотонов и электронов (рис. 51), ко-
торые приводили к рассеянию фотонов. Фотоны не могли рас-
пространяться свободно и оставались связанными с электрона-
ми. Энергия свободно распределялась между фотонами
и частицами, и этот процесс рассеяния был настолько эффекти-
вен, что частицы вещества оставались при температуре, соответ-
ствующей равновесному тепловому излучению.
Чтобы понять, как происходит рассеяние, представим себе
фотон, падающий на электрон, в виде импульса энергии электро-
магнитного поля. Испытав резкий толчок со стороны электриче-
ского поля, свободный электрон мгновенно ускоряется и при-
обретает импульс. В свою очередь импульс фотона уменьшается.
И хотя энергия фотона при этом существенно не изменилась, им-
пульс его действительно изменяется. Это приводит к изменению
направления распространения волны, иначе говоря, к рассеянию
излучения. В среднем связанные электроны (электроны, движу-
щиеся по орбитам вокруг ядер) довольно слабо рассеивают па-
дающие на них фотоны, потому что в первую очередь электроны
подвержены действию атомных сил связи, которые удерживают
их на орбите.
По мере расширения Вселенной характерная температура те-
плового излучения постепенно падает, но характер излучения при
этом не изменяется; это было бы возможным лишь в случае по-
глощения фотонов или рождения новых. Когда температура из-
лучения упала ниже 10 млрд.К (возраст Вселенной на той стадии
достигал шести месяцев), плотность вещества понизилась на-
139
Рис. 51. Рассеяние на электронах
Падающий фотон взаимодействует со свободным электроном подобно коротко-
му импульсу электромагнитного излучения (а). В результате электрон слегка
ускоряется, т.е. приобретает некоторый импульс. Следовательно, фотон теряет
импульс и изменяет направление движения. В этом процессе практически не про-
исходит передачи энергии, поскольку электрон намного тяжелее фотона.
Каждый фотон испытывает многократное рассеяние (б).
столько, что никаких существенных процессов поглощения или
испускания происходить не могло. Тот факт, что число фотонов
теплового излучения весьма превышало число протонов и элек-
тронов, делает маловероятным, чтобы впоследствии мог возник-
нуть какой-либо источник излучения, способный заметно иска-
зить спектр равновесного излучения. Конечно, можно попытать-
ся представить себе какие-то другие мощные источники излуче-
ния, действующие в ту эпоху. Одна из возможностей - выделение
тепла и излучения в ходе распада первичных турбулентных вих-
рей. Другая возможность-выбросы излучения и частиц из взры-
вающихся черных мини-дыр. Однако, по мнению большинства
космологов, такие возможности носят слишком умозрительный
характер. Если же подобных посторонних источников энергии не
было, то протоны и электроны могли только рассеивать фотоны,
но ни в коем случае не приводить к рождению новых или унич-
тожению старых фотонов. Равновесное излучение по существу
характеризуется энергией или распределением фотонов по дли-
нам волн; спектр этого излучения всегда имеет один и тот же
вид, важно знать лишь его температуру. Итак, характер спектра
излучения поддерживался неизменным, по мере расширения Все-
ленной лишь сдвигаясь в сторону более низкой характерной
температуры.
ПЕРВИЧНЫЙ ХАОС?
Теперь рассмотрим сценарий более умозрительного характера,
который может привести к видоизменению стандартной модели.
Предположим, что ранняя Вселенная была очень хаотической
140
Рис. 52. Искажения спектра фонового излучения
Согласно нестандартной модели Вселенной, чрезмерная турбулентность, имев-
шая место в ранней Вселенной, должна была приводить к выделению энергии,
которая становилась частью общей энергии фонового излучения. Если турбу-
лентность присутствовала во Вселенной спустя год после начала расширения, то
излучение могло только рассеиваться; плотность была слишком малой, чтобы
вещество могло поглощать излучение и чтобы излучение и вещество находились
в тепловом равновесии. Это должно было привести к искажению спектра тепло-
вого излучения. В действительности измерения не обнаружили каких-либо суще-
ственных отклонений от спектра теплового излучения. Следовательно, роль пер-
вичной турбулентности в рассеянии энергии должна быть мизерной.
и турбулентной и эта турбулентность вызывалась гравита-
ционным коллапсом в некоторых ограниченных областях. Пер-
вичная турбулентность должна была в конце концов рассасы-
ваться, создавая тепло,-процесс, аналогичный выделению тепла
при движении потока воздуха вокруг сверхзвукового снаряда. Та-
ким образом могло бы возникать дополнительное излучение. Ос-
новная часть фотонов такого излучения имела бы большую дли-
ну волны, чем средний фотон теплового излучения. Следователь-
но, происходило бы «покраснение», т. е. увеличение длины волны
фонового излучения. Спектр излучения, претерпев однажды от-
клонение от своего начального распределения, впоследствии бу-
дет оставаться соответствующим той же температуре излучения,
но относительно более «красным» (рис. 52). В эти ранние эпохи
из-за многочисленных рассеяний фотонов Вселенная могла бы
оставаться все еще непрозрачной. Таким образом, рассеяние «по-
красневшего» излучения могло бы продолжаться. Но никаких до-
141
полнительных искажений спектра не происходило бы. После пре-
кращения рассеяния этот «румянец» можно было бы обнару-
жить, иначе говоря, заметить «покраснение» или искажение на-
блюдаемого фонового излучения.
Чтобы понять, почему это явление должно быть наблю-
даемым, остановимся чуть подробнее на аналогии с туманом.
Представим себе два источника света-один красный, другой го-
лубой - в тумане. Наблюдатель не мог бы увидеть источники све-
та, но видел бы цвет рассеянного света. Красный свет можно бы-
ло бы заметить с больших расстояний, чем голубой, поскольку
красный свет, обладая большей длиной волны, рассеивается сла-
бее голубого. (Именно этим объясняется, почему небо голубое,
а Солнце вблизи горизонта выглядит красным; голубой свет рас-
сеивается в атмосфере сильнее, чем красный.) Изучая рассеянный
свет, мы могли бы извлечь информацию, например, о содержа-
нии пыли в атмосфере и о характере источника света, который
непосредственно наблюдать нам не удалось. Подобным образом
мы можем анализировать космическое фоновое излучение, с тем
чтобы определить условия во Вселенной в ходе радиационной
эры. Однако не было обнаружено никаких признаков подобного
«покраснения» фонового излучения, которое в диапазоне радио-
волн должно было проявляться в преимущественном увеличении
интенсивности более длинноволновых фотонов по сравнению
с более коротковолновыми. Отсюда следует вывод, что любая
турбулентность или диссипация в радиационную эру (т. е. при
возрасте Вселенной от шести месяцев до примерно 1 млн. лет)
должна быть сравнительно слабой.
КОНЕЦ РАДИАЦИОННОЙ ЭРЫ
По мере расширения роль излучения постепенно уменьшает-
ся. По-прежнему остается около 100 млн. фотонов на 1 протон,
и это соотношение сохранилось до сегодняшнего дня. Однако
с уменьшением температуры фотоны постепенно теряли энер-
гию, тогда как масса покоя протонов оставалась без изменения.
Таким образом, вклад протонов в плотность Вселенной все вре-
мя возрастал. Плотность массы начинает доминировать над
плотностью энергии излучения примерно через 100000 лет после
начала расширения.
В течение радиационной эры по мере расширения Вселенной
плотность протонов и электронов уменьшалась и излучение рас-
сеивалось на них все в меньшей степени. Когда температура упа-
ла ниже 4000К, электроны и протоны объединились в атомы во-
дорода. Космологи обычно называют этот период эпохой
отделения вещества от излучения', она знаменует собой важный
этап в эволюции Вселенной [10]. Впоследствии излучение рас-
пространяется независимо от вещества-оно не взаимодействует
с веществом. Для этого необходимо, чтобы вещество в основном
142
Г алактика
Млечный Путь
Рис. 53. Отделение излучения от вещества
В эпоху отделения излучения от вещества, когда возраст Вселенной был около
1 млн. лет, температура излучения упала достаточно, чтобы протоны и элек-
троны могли объединяться, образуя атомы водорода. Как только свободные
электроны исчезли, рассеяние прекратилось; после этого излучение могло сво-
бодно распространяться, отделившись от вещества. Исследуя близкую галактику
А, мы видим ее такой, какой она была некоторое время (может быть, миллионы
лет) назад; более далекую галактику мы видим такой, какой она была мил-
лиарды или даже десятки миллиардов лет назад. Возраст Вселенной уже достиг
нескольких миллиардов лет, когда образовались галактики, которые мы сегодня
наблюдаем. Однако фоновое излучение пришло к нам непосредственно из эпохи
отделения излучения от вещества. Фоновое излучение имеет красное смещение,
намного превосходящее красное смещение излучения любой из известных галак-
тик или квазаров; вероятно, оно составляет около 1000.
находилось в виде атомов. В более ранние эпохи атомы не могли
образоваться по той простой причине, что температура была
слишком велика и любые образовавшиеся атомы мгновенно
«распадались» на протоны и электроны (ионизовались) под воз-
действием наиболее высокоэнергетических фотонов теплового
излучения. Однако по мере того, как падала температура, число
таких «горячих» фотонов быстро уменьшалось и даже самые
«горячие» из них уже были не в состоянии ионизовать атомы во-
дорода. Образование атомов водорода (рекомбинация) происхо-
дило очень быстро; начавшись с того времени, когда возраст
Вселенной составлял 300 тыс. лет, этот процесс почти полностью
завершился, когда Вселенной было около 1 млн. лет (рис. 53).
Процесс рекомбинации протекал настолько эффективно, что при-
мерно на каждые 100 тыс. атомов осталось всего лишь по одно-
му свободному электрону и протону.
Важнейшим последствием прекращения взаимодействий ме-
жду излучением и веществом явилось то, что, поскольку элек-
троны оказались связанными, Вселенная стала полностью про-
зрачной-«туман» рассеялся. С этого момента фотоны теплового
излучения, продолжая «остывать» (терять энергию), начали дви-
гаться прямолинейно, не испытывая рассеяния. В пространстве
уже не было достаточного количества свободных электронов,
чтобы вызвать заметное рассеяние фотонов. [Атомы межгалак-
тического газа впоследствии, в существенно более поздние эпохи,
могли быть снова ионизованы (превратившись в электроны
и протоны) внезапным выбросом тепла или ионизирующего из-
лучения. Если это происходило до того, как плотность сильно
упала, то вполне возможно, что рассеяние снова имело место
в сравнительно недавнюю эпоху.] Температура излучения про-
должала падать с расширением Вселенной; к настоящему време-
ни она понизилась до ЗК. Мы знаем это вполне определенно, по-
тому что радиоастрономы измерили как спектр, так и температу-
ру фонового излучения. Поскольку температура упала от 3000К
до всего лишь ЗК, можно сделать вывод, что с той эпохи, когда
произошло отделение вещества от излучения, длина волны ти-
пичного фотона увеличилась - а сама Вселенная испытала расши-
рение-приблизительно в 1000 раз.
ОСТЫВАНИЕ ВЕЩЕСТВА
После эпохи отделения вещества от излучения вещество осты-
вает довольно быстро по сравнению с излучением. «Остывание»
атомов водорода происходит вследствие того, что в своем хаоти-
ческом движении атомы не успевают за темпом общего расши-
рения, в результате которого они удаляются друг от друга.
Представим себе автомобильные гонки. Автомобили стартуют
все вместе и движутся почти с одинаковой скоростью, но посте-
пенно удаляются друг от друга. Чем больше проходит времени,
144
тем дальше они оказываются друг от друга и тем больше време-
ни им требуется, чтобы догнать друг друга: мы можем с тем же
успехом сказать, что относительная скорость между парой сосед-
них автомобилей уменьшается со временем. Аналогичные со-
ображения справедливы и по отношению к хаотическим движе-
ниям атомов в расширяющейся Вселенной: скорости этих
движений также уменьшаются с ростом расстояния между
атомами.
Хаотические движения атомов проявляются в том, что мы на-
зываем температурой. При расширении обычного газа темп
уменьшения температуры в два раза превышает темп расшире-
ния. Если же говорить о температуре равновесного излучения, то
она уменьшается лишь линейно в зависимости от скорости рас-
ширения. Это различие вытекает из положений специальной тео-
рии относительности: когда скорость частиц приближается к ско-
рости света, их становится труднее сжимать. При этом они
приобретают меньше энергии, чем медленные частицы. И наобо-
рот, расширение приводит к тому, что энергия релятивистских
частиц (т.е. движущихся со скоростью света)-фотонов умень-
шается менее существенно, чем энергия нерелятивистских частиц.
Фотоны, следовательно, теряют в ходе расширения меньше энер-
гии, чем медленно движущиеся частицы. (Однако напомним, что,
поскольку фотоны-это частицы, масса которых равна нулю, эк-
вивалентная плотность массы фотонов уменьшается быстрее,
чем плотность массы нерелятивистских частиц.) Можно ожидать,
что к современной эпохе оставшееся во Вселенной вещество со-
хранило очень малую долю прежней тепловой энергии (которая
проявляется в движениях частиц) и является очень холодным-
его эквивалентная температура не превышает всего лишь долей
градуса Кельвина. В действительности же температура, вероятно,
не столь низка, поскольку в игру вступают другие источники теп-
ла и энергии, связанные с образованием галактик и их актив-
ностью в прошлом.
Изучение углового распределения фонового излучения на не-
бе дает непосредственную информацию о распределении веще-
ства в тот момент, когда излучение в последний раз испытало
рассеяние. Производя измерения этого излучения, мы загляды-
ваем в далекое прошлое, когда возраст Вселенной был менее
миллиона лет. В то время расстояние между любыми двумя да-
лекими галактиками (или между атомами, входящими сегодня
в любые две галактики) составляло всего лишь 0,001 от сегод-
няшней величины. Длина волны излучения возросла в 1000 раз
по сравнению с эпохой отделения излучения от вещества. Как
мы говорили ранее в этой главе, увеличение длины волны в оп-
тической части спектра эквивалентно покраснению света. Поня-
тие о красном смещении можно обобщить: красное смещение-
это относительное увеличение длины волны в спектре излучения.
Считают, что отделение излучения от вещества должно происхо-
145
дить при величине красного смещения около 1000 (численные
расчеты дают более точное значение этой величины, равное 1200,
и оно слабо зависит от принятых параметров космологической
модели), потому что именно во столько раз к сегодняшней эпохе
увеличилась длина волны излучения, испытавшего последнее рас-
сеяние в эпоху отделения излучения от вещества (фактическое
увеличение, или сдвиг, длины волны равно величине красного
смещения, умноженной на начальную длину волны).
Красное смещение широко используют в качестве метки со-
бытий, происходивших в ранней Вселенной; кроме того, оно
является мерой расстояния: чем больше красное смещение, тем
более удален объект и тем труднее его обнаружить. Красные
смещения самых далеких из обнаруженных нами объектов, кваза-
ров, достигают примерно 3. (Подробнее мы обсудим квазары
в гл. 12.) Самые далекие из обнаруженных до сих пор галактик
имеют красные смещения около 1, и длина волны любой детали
спектра такой галактики должна быть удвоена по сравнению
с аналогичной деталью в спектре соседней галактики с малым
красным смещением. Фоновое излучение-это та компонента
Вселенной, которую мы можем наблюдать при красных смеще-
ниях, намного превосходящих те красные смещения, которые до-
ступны всем остальным наблюдениям.
Исследование космического фонового излучения показало,
что это излучение абсолютно однородно. Никаких нерегулярно-
стей или неоднородностей не было обнаружено вплоть до верх-
него предела точности, который равен менее 0,001. Однако не
вызывает сомнений, что поиски нерегулярностей рано или позд-
но увенчаются успехом. Для нас фоновое излучение-это окно
в раннюю Вселенную; оно позволяет нам заглянуть в прошлое
Большого взрыва дальше, чем любой другой известный объект
во Вселенной. Начальные возмущения, которые привели к обра-
зованию галактик, должны оставить свои «следы» на космиче-
ском фоновом излучении. Обнаружение этих флуктуаций могло
бы дать убедительное подтверждение теории образования галак-
тик, к обсуждению которой мы переходим.
9
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
ГАЛАКТИК
Мне кажется, чтсГ если бы вещество нашего Солнца
и планет и все вещество Вселенной было равномерно
распределено по всему небу, и каждая частица облада-
ла бы присущим ей тяготением ко всем остальным ча-
стицам, и все пространство, по которому распределено
вещество, было бы конечным, то вещество, находящее-
ся во внешних областях этого пространства, под дей-
ствием тяготения стремилось бы к веществу во вну-
тренней области и вследствие этого упало бы
в середину пространства, образовав там одну большую
сферическую массу. Но если бы вещество было равно-
мерно размещено по бесконечному пространству, то
оно никогда не собралось бы в единую массу, а образо-
валось бы бесконечное число больших масс, разбро-
санных по бесконечному пространству на огромных
расстояниях друг от друга. Возможно, таким путем
и образовались Солнце и неподвижные звезды.
Исаак Ньютон
Самой впечатляющей особенностью Вселенной должна быть ее
структура. До сих пор мы почти полностью игнорировали этот
факт и рассматривали Вселенную как единообразное и однород-
ное распределение частиц. В достаточно больших масштабах
предположение об однородности Вселенной подтверждается на-
блюдениями: в различных направлениях от Земли число далеких
галактик в сравнимых объемах пространства оказывается одина-
ковым. Скорости разбегания галактик (постоянная Хаббла) также
оказываются одинаковыми в различных направлениях в про-
странстве. Из этих данных следует, что с точки зрения земного
наблюдателя крупномасштабная структура Вселенной изотропна.
Конечно, этот вывод справедлив лишь с точностью, которую
обеспечивают современные астрономические наблюдения. Значе-
ния постоянной Хаббла, определенные разными астрономами,
отличаются более чем в два раза. Вероятно, наблюдения галактик
позволяют оценивать изотропию Вселенной со столь же невысо-
кой точностью.
Наблюдения космического фонового излучения дают куда бо-
лее обнадеживающий результат-фоновое излучение однородно
по всему пространству с точностью выше 0,1%. Эти наблюдения
проводились в широком диапазоне угловых масштабов от не-
скольких угловых минут до целых квадрантов неба (т.е. 90°)-ре-
зультаты получались одни и те же. Как мы видели в гл. 8, рас-
пределение и степень однородности наблюдаемого фонового
147
излучения были определены пространственным распределением
вещества в раннюю эпоху существования Вселенной. Отсюда
можно сделать вывод, что вещество в эпоху отделения излучения
от вещества было столь же однородным. Это предположение - в
сочетании с космологическим принципом Коперника, утвер-
ждающим, что наше положение в пространстве в качестве на-
блюдателей никоим образом не является выделенным,-имеет ос-
новополагающее значение в формировании наших представлений
о структуре Вселенной, указывая на возможность применения
модели Большого взрыва для описания наблюдаемой Вселенной.
КОНСЕРВАТИВНЫЙ ПОДХОД
Как согласовать идеализированную модель Большого взрыва со
сложной структурой Вселенной, которую мы наблюдаем? Один
подход состоял в изучении устойчивости Вселенной относитель-
но роста малых неоднородностей. Допустим, в ранней Вселенной
происходили ничтожно малые флуктуации плотности. Как дол-
жны эволюционировать эти флуктуации в ходе расширения?
Предполагается, что расширение Вселенной должно было оказы-
вать стабилизирующее действие на такие неоднородности. Про-
цесс расширения должен был в значительной мере препятство-
вать воздействию тех сил, которые в отсутствие расширения
могли бы привести к катастрофическим последствиям. Статиче-
ская вселенная, в которой имеются области с избыточной плот-
ностью, была бы в высшей степени неустойчива по отношению
к локальному сжатию или расширению. Однако в расширяющей-
ся Вселенной образование локальных областей повышенной
плотности приводит лишь к появлению медленно изменяющихся
возмущений. Это поистине счастливое для нас обстоятельство,
поскольку сжатие более плотных областей в ранней Вселенной,
как мы увидим в дальнейшем, не приводило бы к образованию
галактик.
В ранние времена вновь образовавшиеся плотные области
должны были бы иметь большую плотность, чем сегодняшние
галактики. Расширение в значительной степени замедляет про-
цесс роста малых флуктуаций. Тем не менее флуктуации продол-
жали расти в течение очень длительного времени, и даже незна-
чительная начальная неоднородность могла вырасти настолько,
что в конце концов произошло бы ее сжатие. В области, имею-
щей небольшой избыток вещества по сравнению с окружающим
пространством, локальное гравитационное поле несколько возра-
стает, порождая силу, которая действует на прилегающие обла-
сти. Если флуктуации плотности с амплитудами 1-0,01% возни-
кали во времена, предшествовавшие эпохе, отделения излучения
от вещества, то аккреция, обусловленная гравитационной не-
устойчивостью, должна была привести к сжатию, в результате
которого, возможно, образовались галактики (рис. 54).
148
Рис. 54. Рост флуктуаций плотности
На этой пространственно-временной диаграмме время отложено по вертикаль-
ной оси, а три пространственных измерения сжаты в горизонтальную ось. Га-
лактики развились из малых флуктуаций плотности в ранней Вселенной, их раз-
витие можно проследить, двигаясь в прошлое к ничтожно малым флуктуациям
плотности в начальной сингулярности. При расширении Вселенной флуктуации
нарастали, притягивая окружающее вещество. В конце концов после эпохи отде-
ления излучения от вещества флуктуации плотности коллапсировали, образуя
галактики.
Происхождение флуктуаций плотности пока остается загад-
кой. Ни один из известных нам процессов не может вызвать не-
однородность соответствующих масштабов, поэтому при объяс-
нении этих процессов космологи нередко обращаются к чисто
умозрительным рассуждениям.
В качестве причины появления неоднородностей пытаются,
например, рассматривать рождение пар частиц вблизи к сингу-
лярности. Мы могли бы отнести возникновение начальной неод-
нородности к планковскому моменту, который очень близок
к сингулярности, когда вполне могло происходить рождение ве-
щества. Если какое-то количество вещества возникло в то время,
то почему бы не предположить и дальнейшее возникновение ве-
149
щества в виде огромных сгустков или даже черных дыр? Воз-
можно, скопления черных мини-дыр, которые могли образовать-
ся в первую миллисекунду, и обеспечили те начальные флуктуа-
ции, вокруг которых сформировались галактики. Однако эта
возможность противоречила бы самому духу консервативного
подхода, который исключает возможность больших флуктуаций,
пытаясь объяснить возникновение сравнительно малых неодно-
родностей на основе известных физических процессов.
Другую возможность предлагает физика элементарных ча-
стиц, постулирующая существование в ранней Вселенной тя-
желых барионов. Эти сверхмассивные элементарные частицы ра-
но или поздно распадаются, оставляя заметные неоднородности
в плотности вещества. В качестве еще одной возможности рас-
сматривают фазовый переход (изменение состояния), который
мог бы происходить в ранней Вселенной. Если в начальном
сверхплотном состоянии Вселенная была абсолютно холодной,
то в последующем она могла бы разогреваться по мере того, как
существовавшие при сверхъядерных плотностях составные ча-
стицы, включающие различные элементарные частицы, распада-
лись, высвобождая энергию в виде фотонов. Этот переход от хо-
лодного состояния к горячему мог происходить очень быстро,
вызывая самопроизвольный рост флуктуаций. Однако обе эти
возможности представляются весьма сомнительными, так как ос-
новываются на ничем не подтвержденной модели поведения ве-
щества при сверхъядерной плотности.
РЕВОЛЮЦИОННЫЙ подход
Согласно революционному подходу, первоначально во Вселен-
ной царил всеобъемлющий хаос и расширение было в высшей
степени анизотропным и неоднородным. Как мы уже говорили,
судьба больших неоднородностей может быть катастрофической.
Для больших неоднородностей коллапс, приводящий к образова-
нию черной дыры, всегда неизбежен, поскольку даже свет удер-
живается гравитационным полем такой неоднородности.
В самом деле, черную дыру можно определить как объект, гра-
витационное поле которого настолько сильно, что свет не может
преодолеть его воздействие. Мы знаем, что во Вселенной нет или
очень мало больших черных дыр (скажем, с массой, равной массе
галактики или больше), поэтому любые первичные неоднородно-
сти такого типа, по всей видимости, были ограничены во време-
ни очень ранними эпохами (в пределах первого года или еще
меньше), когда масса внутри горизонта была намного меньше
массы современной галактики.
Анизотропия-это несколько иная черта хаотической ранней
Вселенной. Вселенная могла расширяться в одних направлениях
значительно быстрее, чем в других. Она могла даже расширяться
в одном направлении, одновременно сжимаясь в другом. Поверх-
150
ность сферы, на которой первоначально располагалась какая-то
группа частиц, могла деформироваться в блинообразную или си-
гарообразную поверхность, а затем различные конфигурации мо-
гли превращаться друг в друга. Революционный подход допу-
скает, что явление, аналогичное трению, могло сглаживать
анизотропию в ранней Вселенной, приводя тем самым к обычно-
му изотропному расширению.
Это «трение» пытаются объяснить существованием огромно-
го числа нейтрино. Чтобы понять, каким образом эти частицы,
распространяющиеся со скоростью света, могли играть столь
важную роль в ранней Вселенной, вспомним, что нейтрино очень
слабо взаимодействует с веществом. Однако в первую секунду
жизни Вселенной плотность вещества была настолько велика,
что нейтрино полностью поглощались атомными ядрами. В те
мгновения нейтрино, поглощаясь веществом, могли оказывать
существенное давление на вещество Вселенной (подобно тому,
как свет оказывает давление на пылинки). Если первоначально
расширение Вселенной было в значительной степени анизо-
тропным, то воздействие нейтрино стремилось бы сгладить на-
чальную анизотропию и сделать расширение более однородным
и изотропным. По мере расширения Вселенной нейтрино менее
эффективно поглощаются веществом. Сразу после того, как про-
изойдет аннигиляция электронов и позитронов, нейтрино совсем
перестают взаимодействовать с окружающим веществом.
Хаос может проявляться в бесконечном разнообразии ампли-
туд и масштабов неоднородностей. Первоначальные крупно-
масштабные возмущения, возможно, оказывали действие, напо-
минающее действие брошенных в водоем камней, которые
вызывают волны на поверхности воды. По аналогии мы можем
представить себе волны (реальные звуковые волны), распростра-
няющиеся в поле излучения в ранней Вселенной. Звуковые волны
возникают из-за изменения давления. И лишь в том случае, ког-
да возмущение оказывалось достаточно крупномасштабным,
силы самогравитации в локальной области брали верх Над на-
правленным наружу давлением излучения, и тогда должен был
происходить коллапс с образованием черной дыры.
В периоды, предшествовавшие эпохе отделения излучения от
вещества, давление излучения в локальной области с повышен-
ной плотностью было весьма велико. Однако после отделения
излучения от вещества излучение стало свободно распростра-
няться через вещество (почти целиком состоящее из атомов),
оказывая на него очень слабое давление. Резкое понижение да-
вления могло привести к взрыву или коллапсу больших обла-
стей. Это в свою очередь могло бы вызвать образование
ударных волн, в которых происходило бы сжатие газа. Резкое
сжатие вызвало бы гравитационный коллапс и в конце концов
привело бы к образованию галактик. Следуя такому револю-
151
ционному подходу, мы полагаем, что соответствующие физиче-
ские процессы сглаживали первоначальный хаос, приведя к той
Вселенной, в которой мы живем.
Еще более радикальный вариант модели хаотической ранней
Вселенной предполагает, что космическое фоновое излучение
могло образоваться в результате диссипации (рассасывания) пер-
воначального хаоса. Такой путь, как можно надеяться, позволит
нам объяснить наблюдаемое сегодня число фотонов, приходя-
щихся на атомную частицу, хотя при этом придется отказаться
от некоторых бесспорных достоинств стандартной модели Боль-
шого взрыва, которая, в частности, хорошо объясняет образова-
ние гелия.
Далее мы будем в основном придерживаться консервативного
подхода. Подобный выбор обусловлен тем, что несправедли-
вость данного подхода пока не доказана, а он более соответ-
ствует космологическому принципу. Кроме того, этот подход
указывает направленность времени. Один из фундаментальных
законов физики заключается в том, что в изолированной системе
энтропия (мера беспорядка в физической системе) не может убы-
вать. По мере того как в процессе эволюции Вселенной ее струк-
тура становится все более сложной, время и энтропия необрати-
мо продолжают расти. Поэтому кажется более вероятным
постулировать относительную однородность и порядок ранней
Вселенной, чем хаос.
КОСМИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР
Как мы видим, нарисованная нами картина ранней Вселенной до
эпохи отделения излучения от вещества выглядит более сложной,
чем это можно было бы ожидать на основании теории Большого
взрыва. В нашем рассмотрении мы придерживаемся консерватив-
ного подхода, согласно которому ранняя Вселенная была лишь
в очень малой степени неоднородной. Флуктуации представляли
собой лишь малые отклонения от средней плотности на фоне
расширяющейся Вселенной, но они охватывали большие количе-
ства вещества, в результате чего могла формироваться наблю-
даемая сегодня крупномасштабная структура [11]. В любой точ-
ке пространства наравне с крупномасштабными неоднородностя-
ми существуют и мелкомасштабные. В действительности имела
место иерархия флуктуаций внутри более крупных флуктуаций,
которые в свою очередь входили в состав еще более крупных
флуктуаций. Удобной мерой флуктуации может служить масса
вещества, которую эта флуктуация охватывает. Таким образом,
мы можем говорить о неоднородностях звездного, галактическо-
го масштабов и даже о неоднородностях в масштабе скопления
галактик.
Флуктуации плотности не были статичными. Любое малое
превышение плотности оказывало некоторое гравитационное
152
Рис. 55. Гравитация против давления в флуктуации плотности
В флуктуации большого размера гравитация является преобладающей силой (а).
Флуктуация растет и рано или поздно сжимается. Однако в флуктуации неболь-
шого размера доминируют силы давления, под действием которых флуктуация
стремится расшириться (б). Противоборство между силами гравитации и давле-
ния приводит к колебаниям флуктуации, которые распространяются подобно
звуковой волне, или волне давления (в), пока действие давления преобладает.
воздействие, притягивая окружающее вещество в направлении
локальной неоднородности. Флуктуация плотности росла по ве-
личине, если силы давления, обусловленные тепловым движе-
нием протонов, не препятствовали аккреции. Ни на мгновение не
прекращалось противоборство между силами давления, напра-
вленными наружу, и гравитационным притяжением, напра-
вленным внутрь (рис. 55). Исход этого противоборства, как мы
увидим в дальнейшем, определяет время жизни Солнца и других
звезд. На самых ранних стадиях существования Вселенной от
этого противоборства зависела судьба малых флуктуаций плот-
ности. В достаточно крупномасштабных флуктуациях всегда до-
минировали гравитационные силы, поэтому такие флуктуации
непрерывно увеличивались. Однако по мере расширения Вселен-
ной силы давления становились все более важными. В любых ин-
тересующих нас масштабах, скажем в масштабах галактики или
скопления галактик, до эпохи отделения излучения от вещества
силы давления превышали гравитационные. Это приводило
153
к прекращению роста флуктуации данного масштаба. Когда
силы давления преобладали над гравитационными, флуктуации
напоминали волны давления (звуковые волны) и представляли
собой переменные возмущения, проходящие через любую точку
подобно волнам на поверхности водоема.
В радиационную эру силы давления действительно создава-
лись излучением. Возмущения могли распространяться в поле
излучения почти со скоростью света. Напомним, что размер на-
блюдаемой Вселенной всегда ограничивается расстоянием, кото-
рое свет успел пройти за время жизни Вселенной. Следовательно,
эта граница определяет область, в которой силы давления в точ-
ности уравновешивают гравитационные силы.
Рассмотрим поведение возмущения, обусловленного неодно-
родностью, в течение радиационной эры. Неоднородность созда-
ет волну давления. Обычная звуковая волна успевает пройти ко-
нечное расстояние, прежде чем затухнет. (Мы знаем, что даже
громкий крик не позволяет нам поддерживать связь на слишком
больших расстояниях.) Волны давления излучения во многих от-
ношениях ведут себя аналогичным образом-они тоже испыты-
вают диссипацию. Фотоны вместе с протонами и электронами
должны подвергаться сжатию в волне давления. Давление излу-
чения обусловлено главным образом фотонами, а не случайными
движениями протонов, которых много меньше, чем фотонов.
Следовательно, чтобы происходил эффективный захват и после-
дующее сжатие фотонов в волне давления, они должны рассеи-
ваться на электронах. Однако характерное время рассеяния и за-
хвата фотона может быть сравнимо с продолжительностью фазы
сжатия волны. Время сжатия определяется размером (длиной вол-
ны) возмущения. Длинные волны могут эффективно захваты-
вать фотоны, тогда как в коротких волнах сжатие излучения не-
эффективно. Таким образом, за время, равное периоду волны,
фотоны могут просачиваться наружу, покидая область неодно-
родности. Следовательно, энергия, которую переносит волна, бу-
дет рассеиваться, превращаясь в тепло, причем, чем короче вол-
на, тем быстрее будет происходить затухание возмущения (рис.
56).
Существует некий критический масштаб флуктуации плотно-
сти, и при меньших масштабах волны давления очень быстро за-
тухают. Более длинные волны эффективнее удерживают фотоны.
Если «утечки» фотонов не происходит, то волны не затухают. По
мере расширения Вселенной этот критический масштаб растет
и затухание испытывают все более длинные волны. В момент от-
деления излучения от вещества критический масштаб затухания
составляет примерно 1012 солнечных масс. Видимая область ти-
пичной галактики содержит около 1011 солнечных масс. К мо-
менту отделения излучения от вещества рассматриваемое радиа-
ционное затухание, по-видимому, разрушает флуктуации
с массами, превышающими даже массу типичной галактики.
154
Рис. 56. Радиационное затухание адиабатических флуктуаций плотности
Возмущения в ранней Вселенной ведут себя подобно звуковым волнам в возду-
хе, вызывая чередующиеся сжатия и разрежения в веществе. Если некоторая
область Вселенной испытывает сжатие, то вещество и излучение сжимаются
вместе. Сжавшаяся область стремится вновь расшириться. В течение циклов рас-
ширения и сжатия фотоны могут просачиваться из таких мелкомасштабных
адиабатических флуктуаций наружу. Поскольку излучение оказывает сильное
давление на вещество, флуктуации, соответствующие коротким длинам волн, за-
тухают (а). Флуктуации с большей длиной волны (б) могут пройти множество
циклов сжатия и разрежения, прежде чем затухнут. Очень длиноволновые флук-
туации (в), едва успевающие совершить одно колебание, проходят через радиа-
ционную эру невредимыми. После эпохи отделения излучения от вещества излу-
чение может распространяться свободно и больше не оказывает воздействия на
вещество.
После отделения излучения от вещества прекращается рассеяние
фотонов, излучение больше не захватывается волной и затухание
волн давления прекращается.
Изложенные выше соображения применимы к первичным
волнам давления в эпоху, когда доминирует излучение. С точки
зрения физики возможен и совершенно иной тип неоднородно-
сти, когда изменяется только плотность протонов и электронов,
а излучение остается неизменным. Неоднородности такого типа
называют изотермическими (т. е. имеющими постоянную темпе-
ратуру) флуктуациями в отличие от адиабатических флуктуаций
(в которых сохраняется энергия), когда температура вещества
при сжатии повышается (рис. 57). Под действием давления излу-
чения затухают только адиабатические флуктуации.
Что же касается изотермических флуктуаций, то в течение ра-
диационной эры они не изменяются сколько-нибудь существенно.
Как и в ранее рассмотренном случае, силы самогравитации
в области повышенной плотности стремятся втянуть вещество
внутрь. Теперь обратимся к отдельному электрону. Если он ис-
пытает действие какой-то силы, то в системе покоя электрона
возможен избыточный поток излучения. И лишь для покоящего-
ся электрона этот поток отсутствует. Следовательно, при рассея-
нии на электронах, которые сами испытывают гравитационное
притяжение со стороны флуктуации, возникает сильное увлечение
излучением, т.е. трение. Вследствие сил притяжения, действую-
щих между положительно и отрицательно заряженными частица-
ми, электроны в свою очередь не могут двигаться отдельно от
протонов. В конечном счете флуктуации вещества оказываются
как бы замороженными-они не могут ни усиливаться, ни дисси-
пировать. С точки зрения наблюдателя, сопутствующего флук-
туации, эти процессы должны были бы напоминать движение
очень вязкой жидкости (типа патоки).
После отделения излучения от вещества рассеяние прекрати-
лось. Вещество могло теперь свободно проходить через излуче-
ние. Следовательно, «вязкость» поля излучения резко упала. Из-
лучение перестало увлекать за собой вещество. После этого
локальные уплотнения в распределении вещества начали усили-
ваться, сжимаясь под действием самогравитации. Этот процесс
называют началом гравитационной неустойчивости [12]. Рас-
смотрим достаточно большую неоднородность вещества, где
силы гравитации явно преобладают над силами давления. За
счет аккреции окружающего вещества флуктуация растет. Крити-
ческая масса неоднородности в момент отделения излучения от
вещества-когда эти две противоположные силы были в точно-
сти уравновешены-составляет примерно 100000 солнечных масс.
Кажется вполне вероятным, что неоднородности, сжатие ко-
торых началось в эту эпоху, должны в основном иметь массы то-
го же порядка; более крупные неоднородности должны были бы
распадаться на сгустки вещества меньших размеров.
156
Рис. 57. Два типа флуктуаций плотности
В изотермических флуктуациях плотности (а) температура поддерживается по-
стоянной (т.е. плотность излучения однородна). Фоновое излучение абсолютно
не возмущено, и лишь вещество сжато в неоднородности. В адиабатических
флуктуациях (б) сжимаются как вещество, так и излучение, и плотность излуче-
ния внутри флуктуации выше, чем плотность фонового излучения.
В описанной выше картине физические процессы, происходя-
щие в радиационную эру, как бы «отфильтровывают» опреде-
ленные выделенные масштабы масс (рис. 58). В частности, в глу-
бинах радиационной эры возникают два выделенных масштаба
масс-порядка 105 и 10В * * * 12 солнечных масс, что отвечает пер-
вичным изотермическим и адиабатическим флуктуациям соответ-
ственно. Возможно, это всего лишь совпадение, но масса ша-
157
Температура, К
Рис. 58. Выделенные масштабы масс
В период, когда возраст Вселенной составлял примерно З Ю4 лет (т.е. когда
плотности вещества и излучения были равны), любое увеличение плотности, ох-
ватывающее массу не менее 1015 солнечных масс, обладало собственной грави-
тацией, достаточной, чтобы подавить действие давления излучения, ведущее
к расширению. После этого неоднородность вступает в стадию непрерывного
роста, кульминацией которого является образование большого скопления галак-
тик. В промежуточном интервале масс (1012-1015 солнечных масс) флуктуации
плотности остаются неизменными, пока не наступает эпоха отделения излучения
от вещества, после чего излучение перестает эффективно взаимодействовать
с веществом. Такие неоднородности могли становиться отдельными галактика-
ми еще до начала фрагментации. При более низких массах давление излучения
приводило к затуханию адиабатических флуктуаций плотности. Однако изотер-
мические флуктуации плотности могли пережить радиационную эру, а затем
становились гравитационно неустойчивыми, если их масса превышала 106 сол-
нечных масс (это примерно масса шарового звездного скопления). Горизонт ча-
стицы означает границу наблюдаемой Вселенной, на которой скорость разбега-
ния стремится к скорости света. Масса Джинса-это масса, при которой
гравитация уравновешивает давление.
ровых скоплений составляет около 105 солнечных масс, а наи-
более массивные галактики и небольшие скопления галактик
имеют массы около 1012 солнечных масс. Совершенно естествен-
но, что космологи, занимающиеся изучением структуры Вселен-
ной, не могли не обратить внимание на это совпадение.
158
ЭВОЛЮЦИЯ ГАЛАКТИК
10
Эволюцию мира можно сравнить со зрелищем фейер-
верка, который мы застали в момент, когда он уже
кончается: несколько красных угольков, пепел и дым.
Стоя на остывшем пепле, мы видим медленно угасаю-
щие солнца и пытаемся воскресить исчезнувшее велико-
лепие начала миров.
Жорж Леметр
После отделения излучения от вещества сохранившиеся неодно-
родности плотности начали расти. Область повышенной плотно-
сти создает небольшое гравитационное притяжение, действую-
щее на окружающее вещество. Близлежащее вещество стремится
упасть в эту область, но «падение» происходит очень медленно.
В результате вещество вокруг флуктуации в своем расширении
несколько отстает от расширения остальной Вселенной. По мере
того как все больше вещества падает по направлению к флуктуа-
ции, это отставание постепенно возрастает. Флуктуация в свою
очередь становится все больше и создаваемое ею гравитацион-
ное притяжение непрерывно увеличивается. В конце концов гра-
витационное самопритяжение вещества достигает такой вели-
чины, что расширение неоднородности прекращается, она дости-
гает максимальных размеров, после чего расширение сменяется
сжатием [13]. Отныне мы постараемся забыть об остальной Все-
ленной-которая, конечно, продолжает расширяться - и посмо-
трим, как протекает последующая эволюция сжимающегося га-
зового облака (рис. 59).
В главе 9 мы отмечали, что такие газовые облака бывают
очень массивны (сравнимы по массе с большой галактикой или
с небольшим скоплением галактик), но в основном имеют до-
вольно малую массу, сравнимую с массой шарового скопления.
Сначала мы рассмотрим только массивное, так называемое про-
тогалактическое газовое облако. Что происходит, когда такое
облако сжимается?
СЖАТИЕ ПРОТОГАЛАКТИЧЕСКОГО
ОБЛАКА
После сжатия протогалактическое облако, скорее всего, не могло
оставаться однородным и сферически симметричным. Причина
этого очевидна - гравитация должна превалировать над силами
159
шш пнш/пи/ • •
Красное смещение
Рис. 59. Эволюция адиабатической флуктуации
Контраст плотности-это характеристика, показывающая, насколько плотность
неоднородности превышает фоновую. При больших красных см.щениях плот-
ность неоднородности растет. Однако масса Джинса увеличивается со временем
(см. рис. 58). При красном смещении около 108 масса флуктуации размером
с галактику впервые превышает джинсовскую массу; это означает, что силы да-
вления начинают преобладать. После этого флуктуация испытывает колебания
подобно звуковой волне. Допустим, что длина волны достаточно велика и зату-
хания не происходит. В течение радиационной эры амплитуда такой звуковой
волны остается постоянной, а в последующую эру, когда вещество преобладает
над излучением, амплитуда медленно нарастает. В эпоху отделения излучения от
вещества силы давления резко уменьшаются и джинсовская масса изменяется от
величины, много большей массы галактики, до существенно меньшего, чем мас-
са галактики, значения. После этого флуктуация растет; когда контраст плотнос-
ти достигает значительной величины, она сжимается, образуя галактику.
давления. Поэтому скорость, с которой сжималось вещество, на-
много превышала скорость распространения звуковой волны
(волны давления). Таким образом, сжатие происходило в сверх-
звуковом режиме. Однако сверхзвуковые газовые потоки неиз-
бежно порождают турбулентность, при этом малые неоднород-
ности должны быстро нарастать. С увеличением малых неодно-
родностей процесс сжатия становится все более хаотическим.
(Именно поэтому сверхзвуковые самолеты проектируют с особой
тщательностью, стремясь избежать чрезмерного развития турбу-
лентности в обтекающем самолет потоке воздуха.)
Турбулентный газовый поток-это яркий пример хаотическо-
го движения. Вообразим, что мы размешиваем кофе в чашке. Ре-
160
Рис. 60. Первичная турбулентность
Турбулентность в ранней Вселенной изображена здесь в виде короткоживущих
ячеек турбулентности различных масштабов. Ячейки затухают (но на их месте
образуются новые ячейки), пройдя расстояние, сравнимое с их размером. В дей-
ствительности ячейки движутся в случайных направлениях.
гулярные движения ложки вызывают все более мелкие завихре-
ния в жидкости, в результате чего молекулы сливок, сахара
и кофе полностью перемешиваются. Аналогично турбулентный
газовый поток состоит из множества мимолетных вихрей всевоз-
можных масштабов, которые в конце концов распадаются, выде-
ляя тепло (рис. 60). Толчком к этому служит гравитационное
сжатие большого облака, и энергия, выделяемая при сжатии, рас-
пределяется между вихрями. Образное описание турбулентности
дает нам стишок Л.Ф. Ричардсона:
В больших вихрях-маленькие вихри,
Скоростью больших вихрей взращенные,
А в маленьких-еще меньшие вихри
И, наконец, до вязкости измельченные.
Вязкость -это процесс, аналогичный трению в твердых телах;
она возникает при скольжении вихрей друг по другу.
Выберем какую-либо точку коллапсирующего газового обла-
ка и посмотрим, что происходит там при сжатии. Любое движе-
ние можно описать, разложив результирующую скорость на три
взаимно перпендикулярные составляющие. Вполне возможно,
что в данной точке сжатие происходило быстрее в каком-то
одном направлении, чем в двух других. В самом деле, идеально
6-896	161
б Сжатии по выделенной оси
в Промежуточная
блинообразная
форма
Рис. 61. Сжатие в «блин»
Сжатие газового облака (а) не происходит сферически симметрично; любая на-
чальная асимметрия, как правило, усиливается в ходе сжатия, так что сжатие
происходит преимущественно в каком-то одном направлении (б). Это приводит
к уплощенному блинообразному распределению газа (в). Конечно, эта стадия
сжатия очень кратковременна, за ней следуют фрагментация и дальнейшее сжа-
тие или расширение в зависимости от того, насколько велика роль сил давления.
сферическое сжатие, когда все три составляющие скорости абсо-
лютно одинаковы, представляется в этом случае крайне малове-
роятным. Куда более вероятным кажется, что при стремитель-
ном сжатии образовывался блинообразный сгусток газа, вытя-
нутый в выделенном направлении (рис. 61). Даже если в начале
сжатия анизотропия была очень слабо выраженной, то она бы-
стро нарастала в процессе сжатия. В различных участках газово-
го облака могло возникнуть много таких короткоживущих «бли-
нов». Далее плотность «блинов» возрастала, они нагревались
и распадались (фрагментировали) на более мелкие газовые сгуст-
ки. Этот процесс газовой фрагментации, вероятно, носил весьма
случайный характер, но, как мы увидим в дальнейшем, создавал
довольно специфические условия для образования галактик.
ФРАГМЕНТАЦИЯ
НА ПРОТОГАЛАКТИКИ
Прервем наш рассказ о процессе фрагментации и обратимся
к общим свойствам наблюдаемых галактик. Если ограничиться
рассмотрением наиболее заметных галактик, которые дают су-
щественный вклад в среднюю плотность светимости во Вселен-
ной, то можно заметить, что их массы лежат в очень узком ин-
тервале. Масса видимых звезд в нашей Галактике Млечный Путь
составляет около 100 млрд, солнечных масс. Массы других легко
наблюдаемых галактик отличаются от этого значения не более
чем в 100 раз. Казалось бы, наша Галактика не особенно велика
и не слишком мала. Но самые малые галактики, как правило,
обладают низкой поверхностной яркостью, и поэтому их трудно
162
заметить. Вполне возможно, что во Вселенной имеется значи-
тельное число карликовых галактик, однако все вместе они дают
малый вклад в светимость, и, вероятно, вклад их масс в среднюю
плотность Вселенной также мал.
Кроме того, галактики весьма близки по своим размерам. Ра-
диус Млечного Пути составляет около 30 000 световых лет. Боль-
шинство других спиральных галактик имеет размеры того же по-
рядка. Массы эллиптических галактик варьируются в более
широком интервале, а неправильные галактики часто оказывают-
ся меньше обычных. Любая удовлетворительная теория эволю-
ции галактик должна объяснить эти свойства галактик.
Процесс фрагментации массивного газового облака действи-
тельно приводит к образованию фрагментов с размерами галак-
тик. Однако само по себе разбиение первоначального газового
облака на более мелкие фрагменты еще не является достаточным
условием выживания этих фрагментов. Деление фрагментов мог-
ло продолжаться, они могли сталкиваться друг с другом и раз-
рушаться в процессе сжатия облака. Турбулентность такого сор-
та могла бы включать в себя лишь короткоживущие структуры,
но нас интересуют структуры, способные выжить в ходе сжатия.
Выживание фрагмента зависит от его способности излучать
энергию, заключенную в неупорядоченном движении атомов. Из-
лучение энергии заставляет фрагмент сжиматься и становиться
менее рыхлой, более крепко связанной структурой. Количество
энергии, заключенной в движении атомов, определяет температу-
ру газа.
Газовое облако охлаждается, теряя часть кинетической энер-
гии входящих в него атомов. Отдельные атомы сталкиваются
друг с другом, и связанные в атомах электроны приобретают
энергию, переходя в возбужденное состояние. Почти мгновенно
электрон из возбужденного состояния переходит на самую низ-
кую из возможных для него орбит. При этом испускается фотон
излучения. Конечным результатом столкновений атомов являет-
ся превращение их кинетической энергии в излучение.
В обычных условиях излучение свободно уходит из газового
облака, поэтому в результате столкновений между атомами про-
исходит охлаждение газового облака. Чем больше атомов
в облаке, тем больше столкновений и тем больше испускается
излучения. Следовательно, при больших плотностях газовое
облако охлаждается быстрее.
Если газовое облако охлаждается, то оно также и сжимается,
при этом становится в меньшей степени подвержено разрушению
при столкновениях с другими фрагментами. Еще более суще-
ственно то, что достаточно быстрое охлаждение фрагмента спо-
собствует его дальнейшей фрагментации, поскольку гравитация
начинает все более преобладать над давлением. Итак, фрагмент
продолжает делиться на более мелкие фрагменты, из которых
в конце концов образуются звезды.
6»
163
Рис. 62. Почему выделен масштаб галактики?
Судьба газового облака определяется его средней плотностью и температурой.
Если вначале облако было слишком разрежено, то оно никогда не сожмется
(предельная плотность на сегодняшний момент составляет около 10“28 г/см3).
Если температура облака вначале была слишком высока, облако может начать
сжиматься, но не сможет остыть. Поэтому давление излучения в нем будет оста-
ваться большим и сжатие прекратится. При достаточно высокой плотности да-
же облака с очень высокими температурами могут медленно остывать. Облака,
достаточно холодные и не слишком разреженные (затушеванная обметь), на-
иболее эффективно остывают за счет излучения и поэтому могут быстро сжи-
маться, образуя галактики. Однако, если газ слишком холодный, он становится
нейтральным и никакого существенного охлаждения происходить не может (по-
ка в облаке нет тяжелых элементов). В этих процессах фигурируют два выде-
ленных масштаба. Газовые облака (стрелки, направленные вниз) определенной
массы (около 1012 солнечных масс) или определенного радиуса (около 150000
световых лет) сначала могут быстро сжиматься. Большие облака, как правило,
распадаются на части с этими характерными массами и размерами. Вероятно,
такие фрагменты и были первыми образовавшимися галактиками.
Из наблюдений мы знаем, что столкновения между система-
ми звезд в основном не оказывают никакого влияния на звезды.
Звездные системы могут проходить одна сквозь другую, не испы-
тывая каких-либо заметных разрушений. Звезды в галактике так
далеко отстоят друг от друга, что эти столкновения похожи на
164
столкновения лишенных плоти призраков. Поэтому на более
поздних стадиях фрагментации-после образования звезд-роль
столкновений значительно падает.
Сначала сжимающееся газовое облако очень разрежено
и протяженно. Эффективное охлаждение его, требующее доволь-
но высокой плотности, происходить не может. Однако рано или
поздно достигаются высокие плотности; когда некоторые обла-
сти газового облака сжимаются в тонкие, блинообразные, более
плотные подсистемы, в последних процесс охлаждения протекает
весьма интенсивно. Более детальное исследование показывает,
что эффективное охлаждение может происходить при выполне-
нии двух условий. Массы фрагментов должны быть меньше при-
мерно 1000 млрд, солнечных масс, а их характерный радиус дол-
жен быть меньше примерно 150000 световых лет (рис. 62). Фраг-
менты, не удовлетворяющие этим условиям, оказываются либо
слишком разреженными, либо слишком горячими и не могут эф-
фективно охлаждаться. В дальнейшем такие фрагменты, по-види-
мому, разрушаются при столкновении друг с другом, так и не ус-
пев разбиться на звезды. Другими словами, из всех структур
галактических размеров с наибольшей вероятностью выживают
более массивные крупномасштабные структуры [14].
ОБРАЗОВАНИЕ ГАЛАКТИК
И СКОПЛЕНИЙ ГАЛАКТИК
Теория газовой фрагментации, по-видимому, должна показать,
что структуры галактических размеров являются выделенными
среди возможных образований, к которым приводит сжатие га-
зового облака. Однако многие стороны процесса эволюции га-
лактик до сих пор остаются неясными, в частности один из клю-
чевых вопросов состоит в том, что образовалось раньше:
галактики или скопления галактик? Краткий обзор наблюда-
тельных данных скорее свидетельствует в пользу гипотезы,
утверждающей, что сначала образовывались галактики, посколь-
ку галактики-намного более плотные системы, чем скопления.
Предположим, что и галактики, и скопления галактик образовы-
вались исключительно за счет гравитационного сжатия вещества
в расширяющейся Вселенной. Допустим также, что в процессе их
образования лишь малая доля энергии диссипировала в тепло
и излучение. Если эти предположения верны, то изолированные
галактики должны образовываться в более ранние эпохи (когда
Вселенная была более плотной), чем скопления. Можно с уверен-
ностью сказать, что скопления галактик образовались при
красных смещениях порядка 2-10, потому что анализ их динами-
ки говорит о том, что они очень молоды. Многие скопления га-
лактик имеют нерегулярную структуру: очевидно, они еще не ис-
пытали релаксации.
165
Изолированные галактики, вероятно, образовались при
красных смещениях 10-30. Эта оценка основана на том, что лишь
при таких сравнительно больших красных смещениях Вселенная
имела примерно ту же плотность, что и протогалактические
облака, из которых образовались галактики [15]. (Однако мно-
гие галактики могли возникать в результате слияния малых, бо-
лее плотных систем, которые образовались независимо друг от
друга в существенно более ранние эпохи, а именно при красных
смещениях порядка 100-1000. Ниже мы обсудим такую возмож-
ность.) Если предположить, что в ходе сжатия газового облака
высветилось мало энергии, то протогалактическую плотность
можно определить непосредственно из наблюдаемой ныне плот-
ности вещества. Эти аргументы строятся на законе сохранения
энергии и напоминают попытку предсказать высоту, на которую
поднимется мяч при отскоке от пола: чтобы энергия сохраня-
лась, необходимо, чтобы трение мяча о поверхность было мало.
Однако скептик мог бы возразить, заявив, что галактики, ко-
торые сегодня мы видим изолированными, могли первоначально
образоваться в скоплениях или группах галактик. В ходе эво-
люции скопления галактик некоторые галактики (в основном
более массивные) постепенно концентрировались к центру
скопления, а далекие от центра члены скоплений выбрасывались
наружу. Этот процесс называется релаксацией. Изолированные
галактики могли быть выброшены из скоплений. Что же касает-
ся нашего галактического окружения, то Местная группа галак-
тик может быть одним из весьма протяженных членов скопления
Девы (или, возможно, сверхскопления Девы). Недавние наблюде-
ния показывают, что между большими скоплениями галактик
имеются огромные пустоты, в которых нет светящихся галактик.
Один из способов объяснить эти дыры, наблюдаемые в распре-
делении галактик,-предположить, что галактики образовывались
преимущественно внутри больших скоплений.
Можно также допустить, что первоначальные неоднородно-
сти плотности в ранней Вселенной конденсировались в облака
масштабов скоплений, которые затем фрагментировали на галак-
тики. Этот подход объясняет массы и размеры галактик, а также
ряд других свойств скоплений. Однако ставит в тупик одно свой-
ство распределения галактик, необъяснимое в рамках гипотезы
фрагментации,-распространенность самих скоплений галактик.
Чрезвычайно больших скоплений галактик весьма мало, в ос-
новном преобладают малые скопления и группы галактик. Рас-
стояние между парами галактик было оценено количественно из
анализа каталога Шэйна-Виртанена, который включает в себя
распределение по небу почти 1 млн. галактик ярче 17-й звездной
величины. Этот каталог считается достаточно полным для боль-
шого объема пространства. Как было обнаружено, вероятность
того, что галактика имеет «соседку» не далее заданного расстоя-
ния г, систематически убывает при увеличении г. Эту вероятность
166
можно выразить через расстояние г, получив так называемую
корреляционную функцию галактик', как оказывается, она убы-
вает примерно обратно пропорционально квадрату расстояния
г (рис. 63). Этот результат справедлив в широком диапазоне зна-
чений г, отличающихся друг от друга в 1000 раз,-от расстояний
в десятки тысяч световых лет до десятков миллионов световых
лет, т.е. от размеров галактик до размеров больших скоплений
галактик.
Наиболее разработанная к настоящему времени теория,
объясняющая корреляции в распределении галактик, включает
в себя иерархическое образование структур. Иерархическое обра-
зование структур можно рассматривать как процесс, почти
обратный процессу фрагментации. В ходе этого процесса галак-
тики сначала образуются, а затем в результате взаимного грави-
тационного притяжения постепенно скучиваются. Не исключено,
что стать галактиками суждено было начальным флуктуациям
с массами в широком интервале-от массы шарового скопления
в миллион солнечных масс до массы гигантской эллиптической
галактики, составляющей 10000 млрд, солнечных масс. Сначала
выделяется группа галактик, затем-скопление, а большое ско-
пление или даже сверхскопление (совокупность нескольких ско-
плений) образуется в конце. Иерархия структур имеет такой вид:
группы галактик внутри бедных скоплений, которые в свою оче-
редь входят в состав богатых скоплений. Получающееся в ре-
зультате распределение галактик может объяснить наблюдаемые
корреляции при условии, что начальное распределение вновь
образовавшихся галактик было почти случайным. Если галакти-
ки образовались при красном смещении около 30, то впослед-
ствии возникали именно такие корреляционные свойства, ко-
торые мы сегодня наблюдаем. Широкий интервал масс галактик,
который мы обнаруживаем, объясняется в таком случае как газо-
вой фрагментацией, так и слиянием первоначальных галактик.
На основе численного машинного моделирования образова-
ния скоплений из галактик был сделан вывод, что распределение
начальных флуктуаций должно систематически убывать при
переходе ко все большим масштабам. Конкретно, контраст плот-
ности (отношение плотности, усредненной в данном масштабе
к средней плотности Вселенной) должен меняться пропорцио-
нально М ~ 1/2 или М ~ 1/3, где М есть полная масса, содержащая-
ся в данном масштабе длины. Первоначально Вселенная была
весьма однородной в масштабах, соответствующих скоплениям
галактик, но при переходе ко все меньшим масштабам она ста-
новилась все более неоднородной. В эпоху отделения вещества
от излучения, при красном смещении порядка 1000, в масштабе
скоплений галактик необходимо предположить флуктуации плот-
ности 0,1-1%. Если экстраполировать спектр флуктуаций к мень-
шим масштабам масс, то складывается впечатление, что конден-
сация в некие «затравочные комки» с массой порядка 100 млн.
167
Рис. 63. Корреляционная функция галактик
Рассмотрим какую-либо произвольно выбранную галактику. Какова вероят-
ность, что другая галактика будет расположена на некотором определенном
угловом расстоянии от нее? Эта так называемая угловая корреляционная функ-
ция галактик указывает, с какой частотой галактики входят в пары или неболь-
шие группы. Эта вероятность может быть рассчитана для всего каталога галак-
тик, содержащего почти 106 галактик и охватывающего Вселенную до глубины
около Кг световых лет. Как оказывается, угловая корреляционная функция (от-
меченная точками наблюдений) изменяется примерно обратно пропорционально
угловому расстоянию. Когда по угловой зависимости воссоздают трехмерную
картину, то обнаруживается, что корреляционная функция галактик падает как
квадрат расстояния между галактиками. На очень больших масштабах корреля-
ционная функция падает с расстоянием более быстро. Это означает, что распре-
деление галактик становится все более случайным. Угловой масштаб 10° со-
ответствует линейному расстоянию 108 световых лет. В меньших масштабах
положения галактик заметно коррелированы, т. е. вероятность найти у любой
заданной галактики близкую «соседку» велика. Корреляционные функции изме-
няются сравнительно гладко, откуда следует, что никаких особенных, выде-
ленных масштабов во Вселенной не существует.
солнечных масс должна была происходить сразу же после отде-
ления излучения от вещества. По мнению некоторых космологов,
эти «комки» были как бы предшественниками будущих галактик.
Вполне можно допустить, что они возникли из первичных изо-
термических флуктуаций, которые сжимались, образуя скопле-
ния звезд или компактные галактики при красном смещении
около 1000. Как мы видели ранее, подобные флуктуации имели
массы порядка 100000 солнечных масс или выше. Скопления
звезд затем сливались в галактики.
Путем численного машинного моделирования было также по-
казано, что в результате таких гравитационных слияний должны
сглаживаться почти все следы более мелкомасштабной струк-
туры (субструктуры). Можно представить целую иерархию раз-
вивающихся систем, объединяющихся затем во все более
крупные галактики, пока не достигается наблюдаемый ныне ши-
рокий спектр масс галактик. Предположив, что в момент отделе-
ния излучения от вещества распределение «комков» массой в 100
млн. солнечных масс носило случайный характер, по-видимому,
можно объяснить наблюдаемое распределение галактического
вещества. Поскольку соответствующие флуктуации плотности
в больших масштабах изменяются как М~1/2, эта гипотеза слу-
чайного распределения «затравочных комков» в эпоху отделения
излучения от вещества способна объяснить и наблюдаемую
структурность в крупномасштабном распределении галактик.
Каким образом можно выяснить характер начальных флук-
туаций плотности в очень ранней Вселенной, предсказываемый
этой теорией? В ранние эпохи, до образования галактик, случай-
но распределенные флуктуации плотности, заполнявшие Вселен-
ную, представляли собой некую разновидность шума. Обычно
понятием «шум» пользуются применительно к звуку, однако по-
нятие шума удобно также для описания любого распределения
флуктуаций. Существует много возможных разновидностей шу-
ма; например, речь является в высшей степени коррелиро-
ванным, а не случайным шумом. Пока еще не выяснено оконча-
тельно, имел ли шум, описывающий флуктуации в ранней
Вселенной, характер абсолютно случайного и некоррелированно-
го, белого шума. Согласно некоторым исследованиям по обра-
зованию скоплений из галактик, возможно, наблюдается слабо
выраженная систематическая коррелированность шума на боль-
ших масштабах, и если это так, то спектр начальных флуктуаций
плотности должен был изменяться пропорционально М~1/3, а не
М~1/2. Белый шум описывает радиопомехи и имеет одинаковую
интенсивность во всем диапазоне частот. Если же шум оказы-
вается все более коррелированным с увеличением масштабов, то
его интенсивность должна возрастать в направлении низких ча-
стот, т.е. более длинных волн.
В главе 9 мы уже говорили, что вопрос об источнике космиче-
ского шума и о его связи с гравитационными эффектами в ран-
169
ней Вселенной пока решается чисто умозрительно. Многие кос-
мологи придерживаются той точки зрения, что для объяснения
пространственного распределения галактик следует постулиро-
вать спектр малых флуктуаций в виде некоторого шума. Охваты-
вает ли этот спектр малые масштабы масс, порядка 100000 сол-
нечных масс (соответствующие первичным изотермическим
флуктуациям), или простирается от 1000 млрд, солнечных масс
к еще более крупным масштабам (соответствующим первичным
адиабатическим флуктуациям),-этот вопрос до сих пор остается
предметом неослабевающих споров. Таким образом, корреляции
в распределении галактик не позволяют сделать однозначный
вывод о справедливости модели иерархического образования
структур, согласно которой первыми образовывались малые га-
лактики. Модель же газовой фрагментации пока еще слишком
несовершенна, чтобы на основании ее можно было бы пред-
сказывать, как возникают корреляции в распределенйи галактик.
Образуются ли галактики до скоплений или одновременно с ни-
ми, какой процесс является главным: иерархическое образование
структур или газовая фрагментация - эти проблемы по-прежнему
остаются нерешенными. Предпринимаются попытки объединить
эти две точки зрения, о чем мы будем говорить в гл. И, предва-
рительно ознакомившись с некоторыми характерными свойства-
ми галактик, которые должна объяснить наша теория образова-
ния галактик.
ФУНКЦИЯ СВЕТИМОСТИ
Корреляции в расстояниях между галактиками - это не един-
ственный пример упорядоченности, обнаруженный при анализе
их распределения. Еще больший интерес представляет вид функции
светимости галактик, т. е. распределения галактик по светимости.
Слабых галактик наблюдается больше, чем ярких, а очень ярких
галактик-крайне мало. Такое распределение характерно для раз-
личных скоплений галактик. Скопления представляют собой систе-
мы, наиболее удобные для исследований, поскольку галактики лю-
бого данного скопления расположены от нас на одном и том же
расстоянии. Функция светимости оказывается универсальной: при
изучении разных скоплений галактик никаких существенных изме-
нений этой функции обнаружено не было. Более того, есть свиде-
тельства того, что аналогичная функция светимости характеризует
и те галактики, которые расположены вне богатых скоплений
(см. рис. 17).
Подобная особенность функции светимости-еще одна загад-
ка эволюции галактик. Высказывается предположение, что про-
цесс газовой фрагментации мог привести к определенному рас-
пределению масс (и тем самым к определенному распределению
светимостей) вновь образовавшихся галактик. Сначала образо-
вавшиеся протогалактические фрагменты были в основном га-
170
зовыми, их относительные движения были дозвуковыми и спо-
койными, неупорядоченность в движении была крайне слабой.
Поэтому возникшие фрагменты могли иметь тенденцию к столк-
новению и слиянию. После объединения некоторого числа про-
тогалактик (существенно меньших систем) в более крупные си-
стемы темп столкновений должен был уменьшиться. Теперь
протогалактики могли включаться в очень интенсивные неупоря-
доченные движения в гравитационном поле скопления. Эти дви-
жения должны были бы быть сверхзвуковыми, а столкнове-
ния-очень сильными. В дальнейшем любое столкновение между
протогалактиками, безусловно, уже не приводило к слиянию.
Диффузный газ в галактиках мог нагреваться и выбрасываться
наружу, но звезды могли свободно проходить мимо друг друга,
оставаясь более или менее невредимыми. Вполне возможно, что
первоначальные слияния протогалактик и привели к возникнове-
нию наблюдаемой ныне функции светимости галактик. Однако
детальная теория этого процесса пока не разработана.
ОБРАЗОВАНИЕ ЗВЕЗД
Как только образовавшийся протогалактический фрагмент начал
охлаждаться в ходе сжатия, дальнейшая его фрагментация на все
более мелкие и плотные подструктуры протекала очень быстро
(рис. 64). Газовая фрагментация являлась весьма хаотическим
процессом с высокой степенью турбулентности. Вследствие тур-
булентности распределение газа оставалось в высшей степени не-
регулярным. Турбулентные вихри непрерывно сталкивались,
и энергия их движения диссипировала в тепло и излучение. Пока
газ продолжал эффективно излучать, он не мог заметно разо-
греться. Если температура не возрастает, то градиенты давления
остаются незначительными и сжатие продолжается беспрепят-
ственно. По мере фрагментации образуется все больше новых
подструктур, меньшего размера и более плотных. В конце кон-
цов сформировались весьма плотные и непрозрачные подси-
стемы. Излучение почти целиком поглощалось внутри них, и ин-
тенсивное охлаждение прекратилось. Охлаждение происходило
теперь очень медленно, лишь за счет просачивания излучения на-
ружу. Далее газ разогревался, продолжая сжиматься: внутри
фрагментов температура возрастала и возникал градиент давле-
ния. Разность давлений в горячей внутренней части и более хо-
лодной наружной части облака препятствовала сжатию, посте-
пенно замедляя его. Происходило постепенное замедление
сжатия непрозрачных подсистем.
Дальнейшая фрагментация была уже невозможна; по-видимо-
му, эти окончательные фрагменты и стали звездами. Такой вы-
вод имеет под собой определенные основания, потому что мы
можем рассчитать массу, при которой самогравитирующий
171
Рис. 64. Фрагментация
Протогалактическое облако с флуктуациями плотности охлаждается (а), сжи-
мается (6) и постепенно фрагментирует на подсистемы все меньшего размера (в).
фрагмент становится непрозрачным. Замечательно, что, как пока-
зали расчеты, окончательная масса таких фрагментов оказывает-
ся очень близкой к массе типичной звезды (рис. 65).
ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ
И СПИРАЛЬНЫЕ ГАЛАКТИКИ
Некоторые галактики, особенно эллиптические, имеют довольно
округлую форму и часто концентрируются в богатых скопле-
ниях. Другие галактики, такие, как спиральные, являются очень
плоскими и, как правило, распределяются в пространстве более
однородно. Как объяснить эти морфологические различия (рис.
66) и что они дают для теории эволюции галактик?
Представим себе массивное сжимающееся облако, которому
в будущем предстоит стать большим скоплением галактик. Или,
согласно концепции иерархического образования структур, мож-
172
Рис. 65. Образование звезд
Процесс фрагментации прекращается только после того, как образуются доста-
точно плотные непрозрачные фрагменты. С увеличением плотности в ходе сжа-
тия (жирные стрелки) образуются все более мелкие фрагменты. В конце концов
при достаточно высокой плотности фрагменты становятся непрозрачными (диа-
гональная линия). Следовательно, они захватывают излучение. Теперь разбиение
на дальнейшие фрагменты прекращается. Фрагментация может продолжаться,
а облако сжиматься, разбиваясь на подсистемы, только в том случае, если про-
исходит потеря излучения, когда давление не растет. Жирными стрелками ука-
заны наименьшие размеры фрагментов, которые могут образовываться и стано-
виться протозвездами. При наличии тяжелых элементов в виде частиц пыли,
определяющих непрозрачность, самые маленькие протозвезды, которые могут
образовываться, составляют по массе около 1% массы Солнца. Возможно обра-
зование и более массивных протозвезд.
но просто представить себе области, в которых плотность прото-
галактик много больше средней. Массивное облако, о котором
идет речь, должно содержать большее число более плотных про-
тогалактических фрагментов, чем меньшее облако. Как мы уже
говорили, если протогалактики успели распасться на звездные
фрагменты, то они могли выжить при взаимных столкновениях.
Столкновения такого сорта могли происходить более или менее
одновременно с обособлением фрагментов от большого облака.
Простые соображения, касающиеся образования звезд, по-
казывают, что типичные фрагменты, вероятно, были довольно
173
Нормальные спирали
Эллиптические галактики
ЬВа	SBb
Sc
SBC
Спирали с перемычкой
Рис. 66. Морфология галактик
Классификация галактик, разработанная в начале 30-х годов Эдвином Хабблом,
систематизирует галактики в соответствии с их формой, начиная от аморфных,
сравнительно однородных эллиптических систем, которые содержат много
красных звезд и мало газа (слева), и кончая сильно уплощенными спиральными
дисками, в которых хорошо заметны ядра, много голубых звезд, а между ними
много газа и пыли (справа). Эллиптические галактики бывают разными, от сфе-
рических систем (Е0). до сплюснутых эллипсоидов (Е7). Спиральные галактики
разделяются на две последовательности в зависимости от того, имеют ли они
округлые ядра (справа вверху) или барообразную форму (справа внизу). На
одном конце последовательности спиральных галактик находятся галактики
с сильно выраженными яркими большими ядрами (Sa, SBa), на другом-галакти-
ки с меньшими ядрами, но с более выраженными спиральными рукавами (Sc,
SBc). Галактики класса SO включают дискообразные галактики, в которых нет
спиральных рукавов и молодых звезд; по многим своим свойствам эти галакти-
ки являются промежуточными между эллиптическими и спиральными галакти-
ками.
уплощенными системами. Плотности в областях наибольшего
сжатия продолжали расти до тех пор, пока не возникали условия
для дальнейшей фрагментации на звезды. Такие высокие плотно-
сти впервые достигались в тот момент, когда некоторые области
облака сжимались в блинообразные структуры. Поэтому вплоть
до возникновения галактических «блинов» сжимающееся облако
оставалось газовым. Вслед за образованием блинов, вероятно,
сразу следовала быстрая фрагментация на звезды. Поскольку
угловой момент должен сохраняться, движения, которые возни-
кали в ходе сжатия в направлении, перпендикулярном плоскости
вращения, затухали в первую очередь. Этот процесс приводил
к образованию уплощенных, дискообразных звездных систем.
Как уже упоминалось, первоначальные столкновения между
фрагментами могли приводить к их слиянию. Протогалактики не
могли развить больших относительных скоростей, пока не про-
шли через центр скопления, и вначале столкновения между ними
происходили весьма медленно и были неупругими. Образовав-
174
шаяся в результате столкновения система быстро становилась
сфероидальной, напоминающей эллиптическую галактику (рис.
67). После нескольких столкновений с другими фрагментами про-
тогалактика должна была приобрести достаточную скорость, ко-
торая впоследствии сохранялась при любых столкновениях, и га-
лактика, по-видимому, оставалась более или менее невредимой
при прохождениях сквозь другие галактики.
Если бы даже слияния не были доминирующим процессом
в образовании эллиптических галактик, то существует еще один
эффект, способствующий формированию в плотных скопле-
ниях-в которых происходят столкновения-галактик округлой
формы. Звездные фрагменты в протогалактике приобретают не-
большие ускорения за счет приливных сил, возникающих в ходе
столкновений. Под воздействием этого эффекта звезды покидают
внешние области галактик, называемые гало, где энергия связи
наименьшая. Кроме того, небольшая часть энергии относитель-
ного движения двух сталкивающихся систем переходит в энер-
гию движения звезд. Если звезды в первоначально плоской га-
лактике начинают двигаться быстрее, то система должна
утолщаться. Этот процесс можно представить как нагревание
тонкой системы, холодной в направлении минимальной тол-
щины.
Вне богатых скоплений столкновения галактик, как следует
ожидать, происходят гораздо реже. Поэтому галактики, если вна-
чале они были плоскими, в основном такими и остаются.
В самом деле, эллиптические галактики, как правило, обнаружи-
ваются в скоплениях, вне скоплений их сравнительно мало.
Конечно, изложенный выше сценарий нельзя считать оконча-
тельным. Одна из трудностей заключается в том, что эллиптиче-
ские галактики, как было недавно обнаружено, являются
медленно вращающимися системами с относительно малым
угловым моментом по сравнению со спиральными галактиками.
Очень трудно, хотя в принципе возможно, согласовать эти на-
блюдения с идеей образования эллиптических галактик при слия-
нии спиральных галактик.
Согласно противоположной точке зрения, большинство га-
лактик первоначально были сфероидальными. Из теории иерар-
хического образования структур следует, что если галактики
образовались в процессе слияния большого числа меньших под-
структур, то они должны иметь скорее округлые формы, чем
плоские. Формирование звезд начиналось раньше, чем происхо-
дило заметное уплощение, в результате галактики имели тенден-
цию принимать сфероидальную, а не дискообразную форму.
В ходе своей эволюции звезды теряли значительное количе-
ство газа. Взаимодействия между галактиками внутри скопления
галактик приводили к тому, что этот газ выметался наружу
в межгалактическое пространство. Однако вне скоплений выбро-
шенный из звезд газ должен был двигаться по спирали в напра-
175
Рис. 67. Столкновения галактик
Слияние двух галактик вначале может приводить к образованию галактики
очень неправильной формы. «Неправильность» быстро исчезает, и галактика
приходит в равновесие, становясь более массивной эллиптической галактикой.
Процесс продолжается в течение нескольких сотен миллионов лет-это короткое
время по сравнению с возрастом самых старых звезд и многих галактик. Поэто-
му естественно ожидать, что некоторые галактики нам удастся заметить именно
в процессе поглощения одной галактики другой. На рисунке показаны резуль-
таты численного моделирования процесса слияния двух галактик, каждая из ко-
торых содержит 1000 звезд. Здесь показано распределение плотности (в проек-
ции на плоскость) для семи последовательных моментов времени. Подобная
система представлена на фотографии (рис. 71, б).
влении галактических центров, стремясь собраться в дискообраз-
ную структуру, которая впоследствии фрагментировала на
звезды второго поколения. Таким образом, считается, что ди-
скообразные галактики образовались вне больших скоплений,
а внутри скоплений сформировались преимущественно эллипти-
ческие галактики. Более того, поскольку и вещество, составляю-
щее дискообразную структуру, и межгалактический газ являются
побочными продуктами процесса звездообразования, можно
ожидать, что и вещество, и газ обогащены тяжелыми элемента-
ми, синтезированными в звездах. И действительно, в дискоо-
бразных популяциях спиральных галактик содержание тяжелых
элементов в среднем такое же, как и в Солнце. Недавние наблю-
дения показывают, что содержание тяжелых элементов в горячем
межгалактическом газе, наблюдаемом в богатых скоплениях га-
лактик, также близко к их содержанию в Солнце. К этому вопро-
су мы вернемся в последующих главах.
Обратимся вновь к морфологическому различию между спи-
ральными и эллиптическими галактиками. Эллиптические галак-
тики получили свое название из-за того, что распределение света,
идущего от них (точнее, контуры постоянной яркости-изофоты),
имеет плавную эллиптическую форму. Очень сплюснутых эллип-
тических галактик не обнаружено. В самых предельных случаях
(в галактиках класса Е 7) сплюснутость характеризуется отноше-
нием 3:1. Спиральные галактики в большинстве своем имеют
вид очень уплощенных дисков с совершенно иным, нежели у эл-
липтических галактик, распределением блеска (рис. 68). В спи-
ральных галактиках выделяются спиральные рукава, состоящие
176
Рис. 68. Спиральные галактики
Яркая гигантская развернутая к нам спиральная галактика (а) класса Sc (по Хаб-
блу)-объект М 101 по каталогу туманностей Мессье (1784). Ближайшая, види-
мая с торца галактика класса SBc (б)-объект NGC 891. Комбинированная фото-
графия Млечного Пути, также видимого с торца (в). Гигантская галактика
класса Sa в форме сомбреро, видимая с торца (г),-объект NGC 4594. Галактика
класса Sb (<)) -объект NGC 4565.
Рис. 69. Эллиптическая галактика М 87
Объект М 87, ярчайшая галактика в скоплении Девы,-это одна из самых ярких
из всех известных галактик. Масса галактики М 87 более чем в 10 раз превы-
шает массу нашей Галактики. Размытые точки, разбросанные по внешней части
галактики М 87, на самом деле являются шаровыми звездными скоплениями,
каждое из которых содержит миллион или более звезд. В ядре имеется пеку-
лярный выброс; его можно увидеть на фотографии, снятой с короткой экспози-
цией (внизу). Объект М 87 является также источником интенсивного рентгенов-
ского и радиоизлучения, последнее испускается как выбросом, так и более
протяженным гало галактики.
Рис. 70. Галактика класса SO
Веретенообразная галактика NGC 2685 представляет собой типичную галактику
класса SO с уплощенным, непрерывным, аморфным распределением света во
внутренних ее областях. Однако внутреннее «веретено» окружают яркие спира-
левидные волокна, содержащие также отдельные темные пылевые участки.
Внешняя волокнистая структура наиболее характерна для спиральной галактики,
и высказывалось предположение, что веретенообразная галактика находится
в процессе слияния со спиральной галактикой меньшего размера.
из газа и молодых звезд, которые, однако, играют незначитель-
ную роль в распределении массы всей дискообразной структуры.
Ближе к центру диска поверхностная яркость распределяется
однородно, но имеется достаточно заметная граница, начиная
с которой яркость диска быстро падает. Яркость эллиптической
галактики постепенно уменьшается от центра к внешним обла-
стям, становясь незаметной на фоне неба (рис. 69).
Возникает вопрос: почему нет сплюснутых эллиптических га-
лактик. По всей вероятности, ответ на этот вопрос следует ис-
179
кать в проблеме устойчивости. Слишком сплюснутая галактика
не может сохранять симметричную форму в течение многих пе-
риодов обращения: в ней происходит конденсация вещества
к центру с образованием перемычки (бара). Имеется много спи-
ральных галактик с центральными барами, которые могут быть
проявлениями эффекта неустойчивости. Большинство других спи-
ральных галактик, включая Млечный Путь и галактику Андро-
меды, вероятно, стабилизированы присутствием массивных гало,
состоящих из большого числа сравнительно слабых и неза-
метных звезд.
Природа, очевидно, не допускает существования сплюснутых
эллиптических галактик. Если такие системы и образуются, то
они, по всей вероятности, оказываются неустойчивыми. В центре
возникает сгущение звезд, которое в конце концов превращается
в дискообразную систему. Если подобные системы в состоянии
удержать газ и в них непрерывно образуются молодые звезды,
то постепенно они приобретают спиральную структуру и превра-
щаются в спиральные галактики. Следовательно, спиральные га-
лактики могут формироваться позже (а также в течение) началь-
ной фазы сжатия протогалактического облака. Легче всего этот
процесс может происходить вне богатых скоплений, где столкно-
вения с другими галактиками или с горячим веществом внутри
скоплений не приводят к потере газа спиральными галактиками.
Внутри скоплений, как можно предполагать, существуют дискоо-
бразные галактики, которые были лишены газа и в которых не
происходило формирования новых звезд или заметной спираль-
ной структуры. Такие галактики действительно наблюдаются
и по своим свойствам занимают промежуточное положение ме-
жду эллиптическими и спиральными галактиками. Эти галактики
относятся к классу SO. Хотя галактики класса SO являются весь-
ма уплощенными системами (рис. 70), по некоторым свойствам,
цвету и пространственному распределению они близки к эллип-
тическим галактикам. Сегодня, однако, остается спорным вопрос
о том, образовалось ли большинство галактик класса SO из
«ободранных» спиральных галактик или, наоборот, своими мор-
фологическими характеристиками они обязаны условиям, суще-
ствовавшим в протогалактическом газовом облаке, из которого
они конденсировались.
КАННИБАЛИЗМ СРЕДИ ГАЛАКТИК
Некоторые галактики представляют собой гигантские системы,
которые оказывают влияние на все скопление. Радиус самых
больших галактик этого типа, как показывают наблюдения, до-
стигает 1 млн. световых лет. Возможно, они в 100 раз превы-
шают по светимости (и по массе) наш Млечный Путь. Скопления
галактик, как правило, содержат не более одной такой системы,
и не все скопления содержат гигантскую галактику. По-видимо-
180
му, гигантские галактики возникли за счет других галактик ско-
пления, в котором они расположены.
Вначале центральная галактика, вероятно, лишь незначитель-
но превышала по своим размерам соседние галактики. Столкно-
вения между галактиками в скоплении приводили к тому, что из
галактик вырывались самые внешние звезды, которые после это-
го начинали двигаться вокруг галактик прямо в межгалактиче-
ской среде. Проходя сквозь диффузное вещество (выброшенные
звезды и газ), рассеянное в межгалактическом пространстве, га-
лактики испытывают нечто похожее на трение. Например, если
звезда под воздействием гравитационных сил отклоняется в сто-
рону движущейся галактики, то она приобретает энергию за счет
галактики, которая постепенно теряет свою кинетическую энер-
гию. После многих пролетов подобного сорта галактика имеет
тенденцию двигаться по спиральной орбите, закручивающейся
к центру скопления. Этот процесс может длиться миллиарды лет,
й, по-видимому, он был существенным лишь в наиболее старых,
концентрированных к центру скоплениях галактик. Эти скопле-
ния демонстрируют ярко выраженную тенденцию к релаксации
(более тяжелые галактики успевают замедлиться) и часто содер-
жат вблизи своего центра гигантскую галактику. Последняя, ве-
роятно, образуется в процессе «заглатывания» первоначальной
центральной галактикой скопления множества более мелких си-
стем. Заключительные этапы этого процесса протекают сравни-
тельно быстро: за один-два оборота галактики вокруг центра
скопления. Такие галактики-каннибалы, как правило, имеют весь-
ма правильные и плавно распределенные звездные гало.
Наблюдается несколько галактик, которые, по-видимому,
лишь недавно испытали столкновение или слияние (рис. 71). За
слиянием следует быстрая звездная релаксация, и это согласуется
с тем, что такие системы встречаются редко. Интересным приме-
ром столкновений галактик является «лобовое» соударение
одной галактики с другой. При этом центральные области одной
из галактик могут выбрасываться наружу, образуя расширяю-
щееся кольцо из звезд. И наоборот, кольца могут возникать в ре-
зультате формирования кольцеобразных волн плотности после
такого столкновения. В любом случае кольца-это крайне не-
устойчивые короткоживущие системы. Тем не менее известно не-
сколько кольцевых галактик, и гипотеза столкновений, по-види-
мому, объясняет их структуру.
Мы очень близки к пониманию ранней эволюции галактик.
Гипотеза иерархического образования структур из первичных
сгустков вещества под действием гравитационных сил сама по
себе не может объяснить все многообразие наблюдаемых струк-
тур. Взаимодействия галактик, приводящие к сглаживанию
структур и коллапсу, также должны играть важную роль. Если
сначала образовались скопления, то могла происходить газовая
181

Рис. 71. Различные взаимодействующие галактики
На фотографиях показано несколько пар взаимодействующих галактик из каталога взаимодействующих галак-
тик Арпа. Арп 271-пара спиральных галактик NGC 5426 и NGC 5427 (а). Эти галактики взаимодействуют при-
ливным образом, перетягивая вещество друг от друга. Арп 315 (NGC 2832)-пара очень тесных эллиптических
галактик, которые, возможно, находятся на грани последней стадии «галактического каннибализма» (б). Неко-
торые пары галактик испытали очень близкое столкновение: в качестве примеров на фотографиях приведены га-
лактики Арп 241 (в), Арп 243, NGC 2623 (г) и Арп 244, NGC 4038 и NGC 4039 (б). Объект Арп 244 известен так-
же под названием Усы, потому что в нем заметны выбросы гигантских струй вещества. Кольцевые галактики,
такие, как Арп 147 (е),-явления, связанные с взаимодействием галактик. Лобовое столкновение двух галактик мо-
гло привести к образованию во внешних областях одной из них огромной кольцевой галактики.
фрагментация, но не обязательно изотермических флуктуаций,
когда первоначально должны были образоваться галактики
меньших размеров. Изучая эволюцию галактик, мы сталкиваем-
ся с тем, что каждый наблюдательный факт объясняется в рам-
ках по крайней мере двух-альтернативных теорий.
Что обусловливает различие между эллиптическими и спи-
ральными галактиками-столкновения и слияния плоских галак-
тик в скоплениях или падение (аккреция) газа на галактики
округлых форм вне скоплений? В следующей главе мы остано-
вимся на тех наблюдениях больших скоплений, которые позво-
ляют нам в качестве рабочей гипотезы принять некоторую точку
зрения по этому вопросу. В любом случае мы вправе ожидать,
что если взаимодействие галактик играет какую-то роль, то
образование галактик существенно зависит от их окружения. По-
этому морфология галактик с близкими массами должна зави-
сеть от того, наблюдаем ли мы их в скоплениях или же это га-
лактики поля; дальнейшие наблюдения подобного рода могут
помочь нам сделать выбор между альтернативными моделями.
Богатые скопления содержат лишь небольшой процент всех
галактик. Однако из-за высокой концентрации галактик к центру
этих скоплений в них создаются условия, которые, как мы уви-
дим в дальнейшем, представляют значительный интерес с точки
зрения исследования эволюции галактик.
11
ГИГАНТСКИЕ СКОПЛЕНИЯ
ГАЛАКТИК
Звездные системы... это сгущения из звезд, пыли и газов
внутри разреженного, но непрерывно распределенного
по всей Вселенной вещества.
Фриц Цвикки
Почти у каждой галактики есть «соседка», разделяющая с ней не-
вообразимое одиночество в пространстве. Наш Млечный Путь
имеет двух близких спутников, Большое и Малое Магеллановы
Облака. Это довольно небольшие галактики: их массы, равные
1О10 и 2  109 солнечных масс соответственно, малы по сравнению
с массой нашей Галактики, составляющей 2-1011 солнечных
масс. Андромеда - ближайшая из галактик, по размеру сравнимая
с нашей Галактикой. Галактика Андромеды и Млечный Путь
вместе с целым рядом небольших спутниковых галактик обра-
зуют группу галактик, которую называют Местной группой га-
лактик. На фотографиях глубокого неба видно много других
групп далеких галактик.
Группами галактик принято считать гравитационно свя-
занные системы. Подобно тому как планеты обращаются вокруг
Солнца, галактики в группе обращаются относительно друг дру-
га. Они остаются в пространственной близости благодаря их
взаимному гравитационному притяжению. Группы галактик
встречаются в космосе весьма часто, типичная группа содержит
10-100 галактик (рис. 72). Иногда попадаются крупные сгущения
галактик. Это огромные скопления, которые могут содержать
свыше 1000 галактик. Ближайшее от нас богатое скопление - ско-
пление галактик Дева, расположенное примерно в 60 млн. све-
товых лет. Еще более богатое скопление галактик, Кома, удалено
от нас примерно на 400 млн. световых лет. В гигантских скопле-
ниях, подобных скоплению Кома, галактики движутся относи-
тельно друг друга со скоростями в 1000 км/с. Эти скорости на-
много превышают скорости звезд внутри отдельных галактик:
так, Солнце движется по орбите вокруг центра нашей Галактики
со скоростью 250 км/с.
В этой главе мы ознакомимся с некоторыми свойствами
скоплений галактик и отдельных галактик и посмотрим, насколь-
ко согласуется с этими свойствами разрабатываемая сегодня тео-
рия образования галактик. Как мы увидим, пока остается много
нерешенных вопросов и требуются дополнительные наблюдения,
185

чтобы можно было сделать вполне определенный выбор между
альтернативными моделями. Есть надежда, что наши рабочие ги-
потезы помогут нам найти неопровержимое подтверждение той
или иной теории образования галактик.
МЕЖГАЛАКТИЧЕСКИЙ ГАЗ
В скоплениях галактик, как и между звездами в спиральных га-
лактиках, имеется газ. Возможны различные механизмы разогре-
ва межгалактического газа. Не исключено, что пролет вблизи
одной из быстро движущихся галактик может порождать сверх-
звуковые ударные волны в межгалактическом газе. Более вероят-
но, что его разогрев происходил на ранних стадиях эволюции
скопления. Нагретый межгалактический газ становится настоль-
ко разреженным, что это затрудняет его охлаждение. Его темпе-
ратура чрезвычайно высока-сотни миллионов градусов. Следо-
вательно, газ испускает рентгеновское излучение. Были прове-
дены эксперименты со спутников по исследованию рентгеновско-
го излучения богатых скоплений (рис. 73). Для изучения
космического рентгеновского и ультрафиолетового излучений не-
обходимо вывести приборы в космос, так как земная атмосфера
поглощает это коротковолновое излучение.
В богатых скоплениях было обнаружено значительное количе-
ство горячего газа. Похоже, что в скоплениях содержится столь-
ко же разреженного вещества, что и в видимых звездах. В рентге-
новском спектре межгалактического газа имеется по крайней
мере одна характерная эмиссионная линия, которую дают силь-
но ионизованные атомы железа (рис. 74). Эти атомы лишены по-
чти всех электронов, за исключением одного-двух. (В земных ус-
ловиях ядро железа окружено 26 электронами.) Это необычное
состояние атома обусловлено высокой температурой межгалак-
тического газа, примерно в 10 раз превышающей температуру
в центре Солнца. В более холодном газе электроны атома гораз-
◄ Рис. 72. Крупномасштабное скучивание галактик
На верхней карте (а) нанесено распределение галактик ярче 13-й звездной вели-
чины, расположенных в Северной галактической полусфере. Северный галакти-
ческий полюс находится в центре. Затушеванная площадь отмечает границу, не
доступную наблюдениям из-за газа и пыли в Млечном Пути, которая проходит
по кругу. Центр внутреннего кружка приходится на скопление галактик Девы.
Уплощенное распределение галактик вокруг скопления Девы-местное сверхско-
пление, которое простирается примерно на 50 млн. световых лет. Про-
странство, охваченное картой, составляет в диаметре около 250 млн. световых
лет. На нижней карте (б) показано распределение ярких галактик вплоть до 14-й
звездной величины. Это карта Северного галактического купола, построенная
с использованием стереографической проекции вокруг Северного небесного по-
люса (СНП). Охвачено пространство до расстояний около 400 млн. световых
лет. Показано приблизительно 1000 галактик, каждая точка соответствует одной
галактике.
187
Рис. 73. Скопление галактик Персея
Эта рентгенограмма скопления Персея замечательна ярким пятном в центре;
оно совпадает с активной галактикой, которая также излучает в радиодиапазоне
(NGC 1275). Наблюдается также заметное диффузное рентгеновское излучение,
распределенное по всему скоплению. Масштаб 10' соответствует расстоянию
в 1 млн. световых лет. Это изображение было получено на небольшом рентге-
новском телескопе, выведенном в космос. Изображение получено в рентгенов-
ском диапазоне, в интервале энергий 0,25-2 кэВ.
до реже подвергаются бомбардировке при столкновениях с окру-
жающими частицами, поэтому атомы ионизованы в меньшей
степени.
По содержанию железа (относительно водорода) межгалакти-
ческий газ в скоплениях галактик лишь незначительно уступает
Солнцу. Этот результат вызвал удивление у многих астрономов,
поскольку предполагалось, что межгалактический газ-это прос-
то остаток первичного вещества, из которого конденсировались
галактики. Но, собственно говоря, откуда следует, что процесс
образования галактик был столь эффективен, что целиком исчер-
188
Рис. 74. Рентгеновский спектр скопления галактик
Рентгеновский спектр скопления галактик Персея был получен со спутника
в 1975 г. Измеренный рентгеновский поток соответствует потоку излучения, ко-
торый должен был бы создавать разреженный газ с температурой свыше
100 млн. градусов. В этом эксперименте была впервые обнаружена эмиссионная
линия железа с энергией 7000 эВ-это соответствует излучению атома железа,
почти полностью лишенного электронов. Эмиссионная линия железа, как теперь
известно,-широко распространенная характерная черта рентгеновского спектра
скоплений.
пал вещество первичного газового облака? Известно, например,
что образование звезд в нашей Галактике происходит не очень
эффективно: лишь около 10% массы плотного молекулярного
облака превращается в звезды, остальное же вещество возвра-
щается в межзвездную среду.
Открытие железа в межгалактическом газе показало, что не
весь газ является первичным. Он должен был каким-то образом
обогащаться выбрасываемым из галактик железом, которое
189
является одним из конечных продуктов звездной эволюции. Ис-
точником обогащенного железом межгалактического газа дол-
жны были быть сами галактики. В настоящее время темп потери
массы галактиками в больших скоплениях недостаточно высок;
следовательно, потеря массы должна была происходить давным-
давно. Со временем светимость галактик уменьшается. На ран-
них этапах жизни галактики должны были включать много яр-
ких и массивных звезд. Эти звезды быстро эволюционировали.
По мере того как в ходе эволюции звезды превращались в плане-
тарные туманности и, в конце концов, в новые или сверхновые
звезды (см. гл. 14), происходил выброс их оболочек, обога-
щенных железом. Этот обогащенный газ и составляет, по-види-
мому, большую часть межгалактического газа.
СТОЛКНОВЕНИЯ ГАЛАКТИК
Каким образом газ мог выбрасываться из галактик? Здесь мы
вновь вынуждены обратиться к чисто умозрительным рассужде-
ниям. Одно из предположений заключается в том, что давление
горячего газа внутри скоплений «обдирает» галактики как в ре-
зультате движения галактик (в таком случае мы говорим о лобо-
вом, динамическом, давлении), так и вследствие сжатия имеющих-
ся в галактиках межзвездных облаков, которые в конце концов
теряют устойчивость. По-видимому, этот процесс наиболее эф-
фективен в центральных областях богатых скоплений. Одна из
трудностей, с которыми встречается предложенная гипотеза, со-
стоит в том, что описанный процесс возможен лишь сразу после
образования скоплений; более того, заранее предполагается, что
освободившиеся от газа галактики (класса SO) схожи по своей
структуре со спиральными галактиками. Наблюдения последних
лет поставили под сомнение оба этих свойства: было обнаруже-
но, что голубые галактики, в которых процессы звездообразова-
ния происходили совсем недавно, часто встречаются в богатых
скоплениях, имеющих сравнительно небольшие красные смеще-
ния (около 0,5), а детальное исследование структуры SO галактик
показало, что большая часть таких галактик имеет более замет-
ное сгущение в ядре, чем это присуще большинству спиральных
галактик. Многочисленность голубых галактик в скоплениях
и ярко выраженные сгущения в ядрах галактик могут быть ре-
зультатом недавнего «обдирания» галактик - в газе центрального
сгущения, возможно, идут последние бурные процессы звездо-
образования. Эти галактики, вероятно, являются спиральными,
они немолоды, но в них продолжается образование молодых
звезд, и поэтому мы видим их голубыми. Поскольку в ближай-
ших богатых скоплениях наблюдается очень мало спиральных
галактик, то, следовательно, какой-то процесс должен был выме-
тать из них газ, поскольку, однажды потеряв газ, галактики, ско-
рее всего, должны и впредь оставаться бедными газом. Но каким
190
образом газ был потерян первоначально? Много бедных газом
галактик, включая галактики класса SO, обнаруживается вне бо-
гатых скоплений, и поэтому следует искать более универсальный
механизм, который может объяснить отсутствие в галактиках га-
за и молодых звезд.
Одна из весьма правдоподобных возможностей заключается
в том, что молодые галактики, которые представляли собой
огромные системы, богатые газом, теряли много газа при столк-
новениях с другими галактиками. Вокруг многих галактик мы
наблюдаем протяженные гало из звезд; молодые галактики, про-
должающие сжиматься из своего первоначального состояния
протогалактических облаков, вероятно, были очень протяженны-
ми, и вероятность столкновения их друг с другом была велика.
Столкновения между ними могли происходить главным образом
в скоплениях, где плотность галактик наиболее высока, но столк-
новения могли происходить и в группах, содержащих множество
малых галактик.
Столкновения между молодыми галактиками должны были
воздействовать на содержащиеся в них газ и звезды. Диффузный
межзвездный газ в каждой из галактик испытывал при их столк-
новении сильный удар и нагревался. Энергия, передаваемая ато-
мам газа, при столкновении переходила в тепло, и газ выбрасы-
вался наружу в виде сильного ветра. Многие звезды, находящие-
ся в гало и связанные с родительскими галактиками сравнитель-
но слабыми гравитационными силами, выбрасывались наружу
под действием приливных сил, возникающих в ходе столкнове-
ния. В конце концов более плотные облака в каждой из галактик
должны были сжиматься при прохождении ударной волны через
диффузный межзвездный газ; это служило пусковым механиз-
мом для гравитационного коллапса облаков и приводило к фраг-
ментации их на более мелкие облака. В последующем в таких
фрагментах должны были образовываться звезды.
Эти бурные события начинались, когда скопления галактик
были молодыми,-несколько миллиардов лет спустя после Боль-
шого взрыва, т. е. при красном смещении около 2-3. Столкнове-
ния, сопровождающиеся выбросом газа и образованием звезд,
могут продолжаться в течение нескольких миллиардов лет, пока
даже самые далекие от центра галактики в богатых скоплениях
и группах не окажутся вовлеченными в эти процессы. Потеряв
газ, многие галактики в дальнейшем так и остаются лишенными
газа; их отождествляют с эллиптическими или галактиками клас-
са SO. Таким образом, основная часть газа внутри скоплений на-
копилась к моменту, когда красное смещение было равно при-
мерно 0,5 (т. е. 5 млрд, лет назад), что в свою очередь
соответствует расстоянию около 5 млрд, световых лет. Только
после того, как это произошло, горячий газ начал эффективно
выметать газ из спиральных галактик, оставшихся в цен-
тральных областях богатых скоплений. Исходя из этой модели,
191
было предсказано, что можно наблюдать интенсивное рентгенов-
ское излучение, испускаемое газом под действием ударной вол-
ны. Выброшенный из галактик межгалактический газ расширял-
ся, стремясь заполнить весь объем скопления, оставаясь при
этом горячим. Поскольку газ был слишком разрежен, он не мог
эффективно охлаждаться и поэтому вплоть до сегодняшнего мо-
мента продолжает испускать рентгеновское излучение. Вполне
возможно, что это и есть то самое рентгеновское излучение, ко-
торое наблюдают астрономы, изучая огромные скопления галак-
тик. Многочисленные голубые галактики, обнаруженные в бо-
гатых скоплениях при красном смещении 0,5 (или больше), могут
быть спиральными или еще богатыми газом эллиптическими га-
лактиками, поскольку эффективное выметание газа происходит
лишь после того, как накопилось значительное количество горя-
чего межгалактического газа внутри скоплений.
СКРЫТАЯ МАССА
Звезды, находившиеся первоначально в гало галактик, входящих
в состав скоплений, в настоящее время должны проникнуть
в межгалактическое пространство. Приливные силы, возникаю-
щие при столкновении галактик, в течение первых миллиардов
лет существования скоплений вырывали звезды из гало. В типич-
ной галактике процесс вырывания протекал эффективно на рас-
стояниях около 100000 световых лет от центра.
Из наблюдений доплеровских смещений в спектрах галактик
был сделан вывод, что они движутся с довольно высокими слу-
чайными скоростями. По измерениям размеров скопления мож-
но рассчитать, какая масса должна быть сосредоточена ближе
к центру, чем данные быстро движущиеся галактики, чтобы это
могло помешать их разбеганию. (Если бы такой массы не было,
галактики просто-напросто разлетелись бы.) Результат получает-
ся неожиданный: требуемое количество массы, приходящееся на
одну галактику, оказывается в несколько раз больше, чем это
следует из других измерений. Последние, как правило, относятся
к ближайшим галактикам, динамика которых достаточно извест-
на, так что можно определить их массы. Например, массу галак-
тики мы можем узнать, измеряя скорость ее вращения. Другой
подход состоит в измерении скорости галактик в многочис-
ленных изолированных тесных парах, что позволяет определить
среднюю массу пары.
Чтобы уточнить сказанное выше, введем отношение масса-
светимость. Путем прямых измерений мы определяем светимость
и каждой единице светимости (как правило, выраженной в едини-
цах солнечной светимости) можем приписать определенное коли-
чество единиц массы (выраженной в солнечных массах). Так, для
Солнца отношение масса-светимость равно 1; видимые области
нашей Галактики, состоящие в основном из звезд, менее мас-
192
сивных и обладающих существенно меньшими светимостями,
чем Солнце, характеризуются отношением масса - светимость,
равным 10. Однако, как явствует из наблюдений, для богатых
скоплений отношение масса-светимость лежит в интервале
100-300. Что же касается отдельных эллиптических галактик, то
здесь измерения дают отношение масса-светимость, примерно
равное 10, хотя этот результат относится только к центральным
ярким областям галактик.
Недавно ученые смогли измерить скорости вращения галак-
тик, изучая радиоизлучение нейтрального водорода. Это враще-
ние мы можем проследить вплоть до самых внешних областей
дисков спиральных галактик, где видно мало звезд. Результат
оказался неожиданным: скорость вращения остается примерно
постоянной. Если основная масса сосредоточена во внутренних
областях галактики, то самые внешние части галактики должны
быть связаны более слабо. Поэтому действующая на них центро-
стремительная сила должна быть меньше, а их вращение - более
медленным. Но это противоречит полученным результатам. Из
измерений следовало, что спиральные галактики характеризуют-
ся большими значениями отношения масса-светимость, чем
предполагалось на основании изучения их ярких внутренних
областей (рис. 75). Следовательно, эти галактики должны иметь
большую массу, чем считалось прежде. Истинное отношение
масса-светимость для спиральных галактик должно составлять
около 30 или даже больше. Точно не известно, в каких формах
присутствует это несветящееся вещество во внешних областях
(гало) галактик.
Классические методы определения массы, основанные на оп-
тических исследованиях ярких внутренних областей, не исключа-
ли возможности того, что в протяженных гало галактик сосредо-
точены значительные количества массы. В самом деле, галактики
могут быть очень протяженными, возможно заполняя большую
часть пространства крайне разряженными гало. Галактики, вхо-
дящие в скопления, потеряли свои гало при столкновениях с дру-
гими галактиками. Однако этот избыток массы должен был до
сих пор сохраниться в межгалактической среде. Но в какой имен-
но форме существует такая скрытая масса -это важная астрофи-
зическая проблема. Скрытая масса не может обладать высокой
светимостью, иначе астрономы смогли бы наблюдать ее непос-
редственно. Она не может находиться в состоянии газа, посколь-
ку газу - будь он горячий или холодный, ионизованный или нейт-
ральный - трудно «утаиться» от астрономов. Было проведено
много наблюдений с целью поиска межгалактического газа. Не-
которое количество газа было обнаружено в богатых скоплениях,
но этого количества явно недостаточно для объяснения расхож-
дения в массах галактик.
Было предложено две гипотезы для объяснения природы
массы, скрыто присутствующей, как следовало из наблюдений,
7-896
193
Рис. 75. Вращение и масса галактики Андромеды
Атомарный водород простирается на расстояния, более чем в два раза превы-
шающие размеры видимой области галактики Андромеды (а). По атомарному
водороду (который обнаруживается по эмиссионным линиям на волне 21 см)
можно определить распределение массы галактики. Доплеровское смещение
спектральных линий радиоизлучения позволяет построить кривую вращения га-
лактики (б), показывающую зависимость скорости вращения (левая вертикальная
ось) от расстояния до центра вдоль большой оси галактики (горизонтальная ось).
На больших расстояниях скорость вращения достигает постоянной величины
около 250 км/с; это говорит о том, что полная масса галактики (правая верти-
кальная ось) должна непрерывно возрастать с расстоянием. В самых внешних
областях галактики отношение масса-светимость превышает в 100 раз отноше-
ние масса-светимость для Солнца. Во внутренних областях галактики это отно-
шение равно приблизительно 10. Кривая вращения не дает никаких намеков на
прекращение роста массы вплоть до расстояния 30 кпс. Однако исследова-
ния двойных галактик указывают на то, что массивные темные гало ограничены
размером около 50 кпс и типичные массы не превышают 1012 массы Солнца.
в скоплениях и в гало галактик. Согласно одной из них, скрытая
масса состоит из очень маломассивных звезд, настолько слабых
по светимости, что их не удается обнаружить. В соответствии со
второй гипотезой скрытую массу составляют многочисленные
сколлапсировавшие остатки - возможно, черные дыры-раннего
поколения массивных звезд. Пока еще невозможно сделать вы-
бор между этими двумя гипотезами.
Черные дыры должны образовываться в результате катастро-
фических взрывов звезд, и возникающее при этом излучение
в принципе обнаружимо. Сегодня широко распространена точка
зрения, что если скрытая масса в скоплениях галактик как-то свя-
зана с черными дырами, то их образование должно было проис-
ходить в достаточно ранней Вселенной, поскольку именно в этом
случае вследствие космологического красного смещения оптиче-
ское излучение, возникшее при их образовании, должно быть не-
доступно нашим наблюдениям. При красном смещении, скажем
порядка 10, прото галактическое излучение, возникшее в ходе эво-
люции и коллапса звезд, из которых позднее сформировались
черные дыры, должно наблюдаться теперь лишь в инфракрасной
области спектра. Наблюдения в инфракрасной области крайне
затруднены из-за излучения земной атмосферы и значительного
поглощения ИК-излучения молекулами озона, водяного пара
и т.д., входящими в состав атмосферы.
Маломассивные звезды в меньшей степени можно считать
претендентами на роль возможного источника скрытой массы.
Очень маломассивные звезды, населяющие гало нашей Галакти-
ки, иногда должны проходить достаточно близко от Солнца, так,
чтобы их можно было заметить. Они должны иметь вид очень
слабых близких звезд, обладающих значительными видимыми
движениями и высокими скоростями, свидетельствующими об их
принадлежности к гало. Поскольку мы видим мало подобных
звезд, их орбиты, по-видимому, лежат главным образом во
внешнем гало и, вероятно, в большинстве своем являются кру-
говыми. По своим динамическим характеристикам эти объекты
отличны от обычных звезд в гало нашей Галактики, которые
обладают значительными скоростями в направлении галактиче-
ского центра, движутся по очень вытянутым орбитам и время от
времени попадают в окрестность Солнца. Считают, что эти
обычные звезды гало также образовались на ранних фазах галак-
тической эволюции, когда происходило сжатие Галактики; этим
и объясняется характер их орбит. С другой стороны, эти звезды
внешнего гало могли быть невидимыми гигантскими планетами
(типа Юпитера), которые недостаточно массивны (масса меньше
0,08 солнечных масс), чтобы стать нормальными звездами.
Если бы мы располагали хорошей теорией образования звезд,
то могли бы сделать выбор между этими противоположными ги-
потезами, аппелирующими к образованию массивных и мало-
массивных звезд. Если маломассивные звезды и преобладали
7*
195
в гало только что образовавшейся протогалактики, то в замет-
ном количестве должны были быть там и массивные звезды.
Газы, выбрасываемые в ходе взрывов массивных звезд в виде
сверхновых, вероятно, могли бы объяснить происхождение обо-
гащенного тяжелыми элементами межгалактического вещества,
которое наблюдается в богатых скоплениях галактик. Однако на-
ши знания об образовании звезд, по-видимому, весьма неполны,
и для объяснения природы скрытой массы необходимы прямые
наблюдения.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ГИГАНТСКИХ
СКОПЛЕНИЙ
Образовывались ли галактики раньше, чем скопления галактик,
или одновременно с ними-это еще одна космологическая про-
блема, не получившая до сих пор удовлетворительного решения.
Теория образования галактик в результате фрагментации
огромных газовых облаков способна объяснить некоторые свой-
ства галактик, включая их распределение по светимости (см. гл.
10), а также, как мы увидим в гл. 14, их распределение по цветам.
Предполагается, что эти облака берут свое начало в очень малых
флуктуациях плотности в ранней Вселенной. Ранее мы уже гово-
рили, что если эти первичные флуктуации были адиабатическими
и охватывали одновременно и вещество, и излучение (ситуация,
возникающая в том случае, когда заданная область ранней Все-
ленной испытывала малое сжатие), то естественным образом
должны выживать определенные масштабы масс. Неоднородно-
сти в масштабах, много меньших, чем группа или скопление га-
лактик, должны были распадаться вследствие затухания излуче-
ния. Таким образом, согласно теории газовой фрагментации,
образование галактик происходило после того, как массивные
облака начали сжиматься; фактически галактики и скопления га-
лактик образовывались более или менее одновременно.
Однако в ранней Вселенной в меньших масштабах могли так-
же существовать изотермические флуктуации плотности веще-
ства. Если представить все масштабы масс, существовавшие
в ранней Вселенной, то, по-видимому, можно считать, что, чем
больше был масштаб, тем меньше там могли быть флуктуации,
пока в самых больших масштабах не достигалась полная одно-
родность. Исходя из этого предположения, менее массивные си-
стемы должны были развиваться первыми. Сначала образовыва-
лись малые галактики в областях, в которых характерная плот-
ность незначительно превышала среднюю. Этот крупномасш-
табный избыток плотности оказывал слабое гравитационное
притяжение на окружающее вещество, которое медленно падало
в направлении областей с повышенной плотностью. Меньшие си-
стемы собирались в скопления, образуя все более крупные си-
стемы. В конце концов под воздействием гравитационного при-
196
Рис. 76. Образование скоплений галактик
Образование изолированного скопления галактик можно наглядно представить,
взглянув на типичное значение расстояния между произвольной парой галактик.
Для галактик поля это расстояние непрерывно растет со временем. Что касается
галактик, расположенных в области, где их средняя плотность выше, чем плот-
ность галактик поля, то здесь галактики отстают от общего расширения Вселен-
ной и со временем начинают падать по направлению друг к другу. Самые
плотные области испытывают отскок; после сжатия галактики чаще всего не
«попадают» друг в друга и вновь разлетаются. Однако в ходе этого процесса их
движение становится более хаотическим, и в среднем они оказываются от цен-
тра скопления на расстоянии, вдвое меньшем, чем были первоначально. Другие
процессы релаксации, имеющие место при близком прохождении галактик, мо-
гут также способствовать развитию скопления галактик.
тяжения образовались большие скопления галактик (рис. 76) [16].
Согласно данной гипотезе теории иерархического образования
структур, распределение галактик по массе было заложено в осо-
бенностях начального распределения первичных флуктуаций
плотности.
Модель Большого взрыва совместима как с теорией иерархи-
ческого образования структур, так и с теорией газовой фрагмен-
тации при образовании галактик. Ни одна из этих гипотез не
имеет сколько-нибудь заметных преимуществ перед другой. Ка-
ждая из них имеет свои достоинства и недостатки, и для провер-
ки их необходимы дальнейшие исследования. Вполне возмож-
но-и мы приведем соответствующие аргументы,-что верны обе
эти гипотезы. В основе теории газовой фрагментации лежат пер-
вичные адиабатические флуктуации; теория иерархического обра-
зования структур исходит из первичных изотермических флуктуа-
ций. Возможно, что первоначально во Вселенной существовали
197
флуктуации обоих типов. Если изотермические флуктуации име-
лись повсюду, то тогда главную роль должна играть теория ие-
рархического образования структур. Теория же газовой фрагмен-
тации применима лишь к тем областям, где полностью
отсутствуют мелкомасштабные изотермические флуктуации;
в противном случае более мелкомасштабные (имеющие большие
амплитуды) изотермические флуктуации сжимались бы и поро-
ждали галактики много раньше, чем могли сформироваться бо-
лее массивные фрагменты.
ОБЪЕДИНЕНИЕ ТЕОРИЙ
Несмотря на кажущееся расхождение между сценариями фраг-
ментации и иерархического образования структур, их можно
объединить в единую космогоническую теорию образования га-
лактик. В качестве первого шага заметим, что распределение све-
та в эллиптических галактиках падает с расстоянием от центра
так же, как и средняя плотность вещества в скоплениях галактик.
Если отношение масса-светимость постоянно во всех ярких
областях эллиптических галактик, то вещество, из которого со-
стоят эти галактики, также должно быть подобным образом рас-
пределено по радиусу. Более того, эллиптические галактики
однородны, бесструктурны и имеют округлую форму. Подобное
аморфное распределение вещества, плотность которого постепен-
но убывает с расстоянием без каких-либо резких границ, являет-
ся естественным следствием теории иерархического образования
структур. Такую морфологию можно объяснить, допустив, что
изотермические флуктуации в 100000 солнечных масс и более,
первоначально входившие в скопления, конденсировались в боль-
шие структуры, и в ходе этого процесса происходило образова-
ние звезд. Эти конденсации сливались в еще более крупные, пока
не образовывались эллиптические галактики. На любом данном
этапе из двух-трех подструктур формировалась новая структура
(см. рис. 67). Если сталкивающиеся подструктуры сливались, да-
вая начало следующему этапу в иерархическом образовании
структур, то наружу выбрасывалось значительное число звезд.
Подобная последовательность событий приводит к образованию
умеренно уплощенных медленно вращающихся эллиптических
галактик, окруженных большими диффузными гало.
Первые звезды совсем не содержали тяжелых элементов, и,
по-видимому, следует принять гипотезу, согласно которой в ходе
последовательных слияний последующие поколения звезд обра-
зовывались из обогащенного тяжелыми элементами вещества,
выброшенного из звезд предшествовавшего поколения. Как мы
уже говорили, эти ранние звезды сегодня необнаружимы, но как
погасшие звездные остатки они дают основной вклад в массу
Вселенной, что объясняет наличие во Вселенной протяженной
темной материи, на которое указывают данные по звездной
198
динамике. Звездные остатки первоначально находились в гало
образующихся эллиптических галактик, но при слиянии галактик
они были оторваны и выброшены наружу.
Уплощенная форма спиральных галактик наводит на мысль,
что они образовывались из единого массивного газового облака,
которое постепенно теряло свою энергию, остывало и сжима-
лось. Вращение удерживало основную массу облака в эквато-
риальной плоскости, и оно сжималось в тонкий диск. Более того,
наблюдаемое вращение лучше всего объясняется падением газа,
который. сохраняет при этом свой угловой момент и по мере
сжатия вращается все быстрее; возможно, что в таком случае на-
чальные размеры облака достигали 1 млн. световых лет. Эти со-
ображения дают основания думать, что спиральные галактики,
вероятно, образовались из первичных адиабатических неоднород-
ностей в 1012 или 1013 солнечных масс. Такой процесс, по-види-
мому, был неэффективным, поскольку светящаяся масса типич-
ной спиральной галактики составляет всего лишь 1011 масс
Солнца. Однако исследования кривых вращения и изолиро-
ванных пар спиральных галактик, обращающихся друг относи-
тельно друга, указывают на наличие протяженных темных гало,
которые содержат около 1012 солнечных масс и имеют радиус
свыше 100 000 световых лет. И снова мы предполагаем, что за
создание звездных остатков, из которых состоит гало, и произ-
водство тяжелых элементов, которые обнаружены в наиболее
старых звездах диска, ответственно раннее звездообразование.
Содержание тяжелых элементов в таких старых звездах до-
стигает не менее половины от их содержания в Солнце. Здесь
теория вполне согласуется с результатами наблюдений, посколь-
ку в богатых скоплениях обогащенное тяжелыми элементами ве-
щество выметалось в межгалактическую среду при столкнове-
ниях галактик. Вне скоплений газ оседал в дисках. Весьма
обнадеживает то, что масса вещества (около 1011 солнечных
масс), сосредоточенная в (возможном) диске и участвующая
в процессе образования галактики в скоплении, может обеспе-
чить количество обогащенного горячего газа, необходимое для
объяснения результатов наблюдений в рентгеновском диапазоне.
Как уже говорилось, не следует ожидать, что плотность меж-
галактического газа существенно возрастает в скоплениях галак-
тик за счет вырывания газа при столкновениях раньше, чем крас-
ное смещение достигнет величины примерно 0,5. Во многих
галактиках диски могли вырасти в течение более ранней стадии.
Однако если в окружающей среде имеется значительная плот-
ность газа, то давление газа (как вследствие движения галактики,
так и высокой температуры межгалактического газа) быстро (в
пределах 1 млрд, лет) выметает остающийся в дисках газ. Рост
дисков прекращается, и в результате формируются дискообраз-
ные галактики, в которых совсем нет газа и отсутствует не-
прерывное звездообразование. Это галактики класса SO, и, как
199
следует из описанного сценария их образования, многие галакти-
ки класса SO должны иметь диски, менее выраженные, чем у спи-
ральных галактик. Наблюдения SO-галактик действительно под-
тверждают это их свойство.
Однако галактики класса SO не обязательно образуются та-
ким путем. Много SO-систем обнаружено вне больших скопле-
ний галактик, и представляется невероятным, чтобы в их эволю-
ции основную роль сыграла окружающая среда. Необходимо
искать другой механизм для объяснения отсутствия в них газа
и молодых звезд. Одна из привлекательных возможностей со-
стоит в том, что SO-галактики могли претерпеть столкновения
или слияния с системами меньших размеров. Такие столкновения
не редки и могли приводить к срыванию межзвездного газа;
в результате столкновения после прекращения вызванного им ак-
тивного звездообразования спиральная галактика должна была
становиться очень похожей на галактику класса SO. Как мы уви-
дим в гл. 14, спиральная галактика, очищенная таким путем от
газа, скорее всего так и останется бедна газом.
Каково происхождение многочисленных карликовых эллипти-
ческих галактик, шаровых звездных скоплений и светящихся гало
спиральных галактик? Как следует из приведенных выше рассу-
ждений, эти объекты, как и нормальные эллиптические галакти-
ки, на которые они очень похожи, по-видимому, сформировались
из изотермических флуктуаций плотности в результате иерархи-
ческого образования структур. В межгалактическом пространстве
должно присутствовать много шаровых звездных скоплений
и карликовых эллиптических галактик. Они падают на большие
адиабатические газовые облака, образуя светящиеся гало спи-
ральных галактик. Карликовые неправильные галактики могли
образоваться как богатые газом фрагменты больших облаков, из
которых конденсировались спиральные галактики. Подтвержде-
ние этой гипотезы мы находим в обилии карликовых галактик (в
Местной группе галактик и в соседних группах таких объектов
насчитывается около 100, тогда как спиральные галактики, похо-
жие на Млечный Путь, встречаются много реже), в том, что на
расстоянии порядка 300000 световых лет от Млечного Пути, воз-
можно, имеется несколько межгалактических шаровых звездных
скоплений, и, наконец, в существовании гипергалактик, в которых
большим спиральным галактикам сопутствует множество малых
карликовых эллиптических галактик. Гипергалактики (к ним от-
носятся Млечный Путь, галактика Андромеды) были исследо-
ваны эстонским астрономом Яном Эйнасто. Они выглядят так,
будто малые спутники собрались вокруг спиральных галактик.
Все вышесказанное может относиться и к шаровым звездным
скоплениям,-поскольку это самые маломассивные системы, они
должны быть более многочисленными, так как функция светимо-
сти (т.е. число галактик в заданном интервале светимостей га-
лактик) имеет общую тенденцию расти к системам с меньшей
200
светимостью и с меньшей массой. Наконец, светящиеся гало спи-
ральных галактик могли образоваться при слиянии многих ша-
ровых систем, подобных скоплениям, на ранней стадии эволюции
нашей Галактики. Вероятно, наблюдаемые шаровые скопле-
ния-это последние из множества таких систем, некогда
огромным облаком окружавших нашу Галактику.
Наша гибридная гипотеза позволяет успешно объединить
вклады, внесенные в формирование галактик и скоплений пер-
вичными изотермическими и адиабатическими флуктуациями
плотности в ранней Вселенной. Первые ответственны за образо-
вание шаровых звездных скоплений, карликовых галактик, сфе-
роидальных уплотнений в галактиках и вообще эллиптических
галактик; вторые-за формирование темных гало и хорошо за-
метных дисков больших спиральных галактик; эти флуктуации
могли также фрагментировать с образованием окружающих нас
карликовых неправильных галактик-данный процесс мог про-
изойти сравнительно недавно. В областях с повышенной плот-
ностью, в которых развиваются большие скопления галактик,
преобладают процессы скучивания и слияния, приводящие
к образованию преимущественно эллиптических (и SO-) галактик.
Спиральные галактики в основном образуются в более изолиро-
ванных областях с пониженной плотностью, где газовые облака
могут постепенно распадаться, превращаясь в диск, не подвер-
женный возмущениям в результате взаимодействий с ближайши-
ми системами сравнимой массы.
Согласно теории иерархического образования структур, мо-
лодые галактики не могут быть обнаружены при малых красных
смещениях, т. е. в ближних областях. В настоящее время это
утверждение представляется сомнительным. Некоторые ближай-
шие галактики выглядят молодыми, однако это может быть чи-
сто внешнее впечатление, обусловленное недавней вспышкой
звездообразования. Бурная активность, связанная со звездообра-
зованием и, возможно, вызванная взаимодействием с соседней
галактикой, могла сделать незаметным присутствие каких-либо
более старых звезд.
Открытие молодых галактик в соседних областях Вселенной
могло бы послужить свидетельством в пользу теории газовой
фрагментации, которая допускает возможность образования га-
лактик на более поздних этапах эволюции Вселенной. Обнаруже-
ние множества богатых газом карликовых галактик в окрестно-
сти нашей Галактики и в других ближайших группах галактик
может быть проявлением присутствия молодых галактик. Это
могло бы свидетельствовать о продолжении процесса фрагмен-
тации и образования галактик; теория иерархического образова-
ния структур не может объяснить существование близких мо-
лодых галактик. Средняя плотность вещества во Вселенной,
согласно оценкам, в настоящий момент достаточно мала, следо-
вательно гравитационная неустойчивость возможна только
201
в областях с большой плотностью, таких, как скопления галак-
тик. Но даже там газ, скорее всего, настолько горяч, что силы
давления должны обеспечивать устойчивость. Однако, согласно
теории иерархического образования структур, галактики должны
развиваться из малых флуктуаций в ранней Вселенной и прежде
всего становиться объектами, обособившимися от общего рас-
ширения; это происходило в сравнительно ранние эпохи, воз-
можно при красном смещении порядка 10 и более. Следователь-
но, молодые галактики должны в большом количестве обнару-
живаться при поиске объектов с большими красными смещения-
ми. Возможно, фотографирование с очень большой выдержкой
на большом телескопе участков неба, кажущихся пустыми, по-
зволит обнаружить большее число слабых далеких молодых га-
лактик. Являются ли они действительно молодыми и имеют ли
большое красное смещение, можно было бы определить по их
спектрам. В настоящее время ученые энергично занимаются осу-
ществлением этой программы исследований.
Исследование квазаров и радиогалактик также позволило нам
накопить свидетельства в пользу сильной эволюции радиоисточ-
ников в далеком прошлом, когда эти объекты испускали излуче-
ние, которое мы сегодня наблюдаем. Доказано, что в прошлом,
при красном смещении 1 и даже менее, число таких ярких объек-
тов могло быть намного больше. Если бы квазары удалось ото-
ждествить, например, с вновь образовавшимися галактиками, то
мы тем самым доказали бы, что галактики образуются в основ-
ном на космологических расстояниях. К сожалению, как мы уви-
дим в следующей главе, в интерпретации квазаров остается
столько же неясных вопросов, как и в проблеме существования
молодых галактик.
12
РАДИОГАЛАКТИКИ
И КВАЗАРЫ
Мерцай, мерцай, квазизвезда,
Издалека манящая всегда!
Как не похожа ты на прочие светила,
И триллиону Солнц равна сиянья сила!
Мерцай, мерцай, квазизвезда,
Готов разгадки ждать я многие года.
Г. Гамов
Стремясь найти ключ к пониманию эволюционных процессов,
происходящих в ранней Вселенной, обратимся теперь к радиога-
лактикам и квазарам. Эти объекты открываются нам как центры
мощного излучения энергии, намного превосходящие все другие
источники энергии во Вселенной. В этом отношении их можно
сравнить с ядрами галактик, и, действительно, похоже, что ква-
зары и радиогалактики представляют собой галактики в наибо-
лее активной стадии их эволюции. Квазары и радиогалактики,
как правило, имеют большие красные смещения, чем галактики,
что также указывает на их раннее образование и эволюцию за
космологическое время. Однако мы еще далеки от создания удо-
влетворительной теории этих объектов, и их связь с обычными
галактиками еще не установлена окончательно.
РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ
И РАДИОГАЛАКТИКИ
Подавляющее большинство галактик излучает преимущественно
в видимой части спектра, хотя излучение может испускаться во
всем спектре. Источниками света, конечно, являются звезды, из
которых состоит галактика. Однако радиогалактики испускают
огромное количество энергии в виде радиоволн. Светимость ра-
диогалактик в радиодиапазоне сравнима (или даже заметно пре-
восходит) со светимостью составляющих ее звезд в оптическом
диапазоне. Наша Галактика является чрезвычайно слабой радио-
галактикой: ее излучение в радиодиапазоне составляет менее
0,1% ее оптического излучения.
Радиоволны создаются электронами космических лучей, дви-
жущимися с околосветовыми скоростями по крутым спиралям
вокруг силовых линий межзвездного магнитного поля. Под дей-
ствием магнитного поля электроны ускоряются и, следовательно,
203
Рис. 77. Синхротронное излучение
Когда электрон движется по спирали вокруг магнитных силовых линий, он ис-
пускает мощный импульс радиоизлучения. На рисунке магнитные силовые ли-
нии (точки) изображены проходящими перпендикулярно плоскости страницы,
а электрон излучает пучок радиоволн по касательной к спиралевидной траекто-
рии, по которой он движется вокруг магнитных силовых линий.
излучают (рис. 77). Согласно теории электромагнитного поля,
ускоренные заряды должны терять энергию в виде излучения.
Характерная длина волны этого так называемого синхротронно-
го излучения электронов, движущихся с релятивистскими скоро-
стями, лежит в диапазоне от сантиметров до метров, т.е. чуть
ниже того интервала длин волн, который включает волны
в плазме (с длиной волны около 200 м) и УВЧ-диапазон (длина
волны около 3 м), используемые для радиосвязи. К счастью, на-
земные радиопередатчики, используемые для радиовещания, не
перекрывают всей этой полосы, и мы можем без помех «слы-
шать» радиогалактики в определенных узких полосах.
Синхротронное излучение обладает высокой степенью напра-
вленности: электроны излучают лишь в очень малом угле вокруг
их мгновенного направления движения. Поэтому, если магнитное
поле достаточно однородно и строго ориентировано, синхро-
тронное излучение, как правило, оказывается поляризованным.
Это означает, что электромагнитные колебания, которыми опре-
деляется радиоволна (или волна любого другого электромагнит-
ного излучения), происходят в выделенном направлении. Поляри-
зация-это уникальное свойство синхротронного излучения,
204
которое позволяет нам отождествить это излучение с космиче-
скими источниками радиоволн в радиогалактиках. Другие виды
радиоизлучения, как, например, излучение горячего газа, являют-
ся деполяризованными.
Чтобы сфокусировать на приемнике возможно большую
часть слабого сигнала, приходящего от далекого радиоисточни-
ка, радиоастрономы используют гигантские радиотелескопы
(имеющие сотни метров в диаметре). В приемнике с помощью
различных электронных устройств сигнал усиливается и разла-
гается в спектр. Если сигнал от радиогалактики пропустить через
громкоговоритель, то он создает непрерывный шипящий звук.
В нем нет какой-либо выделенной частоты, и, подобно шуму или
радиопомехам, этот сигнал представляет собой суперпозицию
многих частот, передаваемых одновременно.
Поскольку наша Галактика, как и большинство других галак-
тик, прозрачна для радиоволн, мы можем исследовать самый
центр Галактики, изучая наиболее длинноволновое синхротрон-
ное излучение. Что касается более коротких волн, то на опреде-
ленных характерных длинах волн в радиодиапазоне излучают
атомарный водород и целый ряд молекул. Как и в оптической
части спектра, эти длины волн называют спектральными линия-
ми; они являются радиоаналогами оптических эмиссионных ли-
ний в спектре горячего газа. Одну из спектральных линий с дли-
ной волны 21 см излучает атомарный водород.
Спектральные линии с меньшими длинами волн излучают
различные молекулы: водяного пара, окиси углерода, формаль-
дегида. Эти и многие другие молекулы были обнаружены
в плотных межзвездных облаках, разбросанных по Млечному
Пути. Таким образом, наблюдения линий излучения молекул
дают нам уникальную возможность исследования структуры да-
леких областей Галактики.
Однако излучение в отдельных линиях радиоспектра весьма
слабо, так что вне Млечного Пути его удалось обнаружить лишь
в сравнительно близких галактиках. Более длинноволновое син-
хротронное излучение характеризуется значительной интенсив-
ностью; фактически это излучение можно принимать с гораздо
более далеких расстояний, чем видимый свет. Следовательно,
для изучения удаленных галактик мы можем составить карту
синхротронного излучения. Исследования неба в радиодиапазо-
не привели к открытию множества радиоисточников, у которых
не обнаружено оптических двойников. Более подробное исследо-
вание таких специфических областей, откуда приходят радиосиг-
налы, можно осуществить путем глубокого фотографирования
неба на самых больших современных телескопах. Иногда таким
образом удается обнаруживать чрезвычайно слабое изображение
далекой галактики. В некоторых случаях такая галактика оказы-
вается слишком слабой в оптическом диапазоне, чтобы ее можно
было обнаружить. Время от времени, если какая-то из слабых га-
205
a
б
Рис. 78. Радиогалактика Центавр А
Очень мощный источник радиоизлучения Центавр А, возможно, демонстрирует
столкновение (или слияние) между эллиптической и спиральной галактиками (а).
Часть радиоизлучения создается в ядре галактики-области, поперечник которой
меньше одного светового года. Интенсивность излучения сильно изменяется со
временем. Большая часть радиоизлучения приходит от огромных областей, про-
стирающихся на миллионы световых лет по обе стороны от галактики. Как бы-
ло обнаружено, ядро этой галактики создает также рентгеновское и инфракрас-
ное излучения, ядро излучает почти во всем электромагнитном спектре (б). На
рис. в показана радиокарта. Контуры (аналогичные контурам высоты на топо-
графической карте) отмечают различные уровни интенсивности радиосигналов.
Рис. 79. «Хвостатая» радиогалактика
Радиогалактика NGC 1265 в скоплении галактик Персея имеет хорошо за-
метные «радиоголову» и «радиохвост». На радиоизображение галактики нане-
сены штрихи, указывающие направление магнитного поля. Радиоизлучение
сильно поляризовано. Магнитное поле и радиоизлучение, по-видимому, исходят
от головной области галактики, где мог произойти двойной выброс. Магнитное
поле так обтекает галактику, будто она движется сквозь газ, заполняющий меж-
галактическое пространство в скоплении галактик.
лактик оказывается достаточно яркой, чтобы можно было иссле-
довать ее свет спектрометрически, в ее спектре обнаруживается
существенный доплеровский сдвиг, возможно соответствующий
красному смещению около 0,5, а в редких случаях даже красному
смещению до 1,-это означает, что эмиссионные линии в спектре
света галактики смещены на удвоенную длину волны, излучае-
мую галактикой.
Замечено, что нередко радиоизлучение таких далеких источни-
ков исходит не прямо из области, видимой в оптическом диапа-
зоне, где находится галактика. Очень часто обнаруживают двой-
ной объект, центр которого приходится на оптический объект
(рис. 78). Это выглядит так, будто в гигантском взрыве были вы-
брошены в двух противоположных направлениях два огромных
облака плазмы, излучающей в радиодиапазоне. Иногда наблю-
дается не одна пара таких «радиоушей», а больше, что указывает
на возможность серии взрывов в центральной галактике. Види-
208
Рис. 80. Радиоинтерферометр со сверхдлинной базой
Радиотелескопы на двух различных континентах могут одновременно наблю-
дать далекий радиоисточник (а). Следя за фазой радиоволн и синхронизируя
время наблюдений, можно затем синтезировать принимаемые сигналы; таким
образом мы имитируем действие гигантского радиотелескопа с разрешением,
эквивалентным разрешению одного телескопа, который охватывает два конти-
нента. Работа интерферометра основана на следующем принципе. Радиоволны,
принимаемые двумя антеннами, проходят слегка различные пути; при сложении
сигналы взаимно усиливаются, если разность хода равна четному числу полу-
волн, и взаимно уничтожаются, если разность хода равна нечетному числу полу-
волн. По мере вращения Земли разность хода меняется (поскольку она зависит
от восхождения источника а). Следовательно, интерферометр имеет многоле-
пестковую диаграмму направленности (б); угловое разрешение равно ширине
одного лепестка, или X/L, где л-длина волны и L-расстояние между двумя ан-
теннами. Использование огромных межконтинентальных базовых расстояний
позволяет получить разрешение, более чем в 1000 раз превышающее разреше-
ние, когда-либо достигнутое на оптическом телескопе.
мая в оптическом диапазоне галактика часто кажется крошечной
по сравнению с областями, излучающими в радиодиапазоне.
Наглядное свидетельство присутствия межгалактического га-
за было получено с помощью радиокарт галактик в скоплениях,
обладающих протяженными «радиоушами» (рис. 79). Быстрое
движение галактики, из которой были выброшены «радиоуши»,
внутри скопления вызывает сильное искажение формы «радиоу-
шей» ; это обусловлено давлением межгалактического газа и при-
водит к образованию хвоста позади галактики. Картина напоми-
209
нает инверсионные следы в атмосфере, оставляемые реактивны-
ми самолетами. Поскольку излучающая в радиодиапазоне
плазма заключена лишь в узком хвосте, можно непосредственно
определить плотность межгалактического газа, обтекающего та-
кие галактики. Не вызывает удивления, что величина этой плот-
ности совпадает с тем значением, которое было получено из
определения количества газа, необходимого, чтобы обеспечить
наблюдаемое рентгеновское излучение.
Одним из волнующих открытий, сделанных с помощью
новых методов радиоинтерферометрии, было обнаружение рож-
дения радиогалактики внутри оптической галактики. Радиоинтер-
ферометр состоит из двух радиотелескопов, расположенных да-
леко друг от друга (возможно, на разных континентах)
и наблюдающих одновременно за одним источником. Поскольку
эти радиотелескопы одновременно измеряют один и тот же вол-
новой фронт, они способны эффективно действовать как один-
единственный, но невероятно огромный радиотелескоп (рис. 80).
Метод радиоинтерферометрии значительно увеличивает наши
возможности по разрешению структуры удаленной радиогалак-
тики. Разрешающая способность телескопа прямо пропорцио-
нальна его линейному размеру, который в данном случае не что
иное, как расстояние между телескопами. Метод радиоинтерфе-
рометрии со сверхдлинными базами позволяет нам исследовать
ядра далеких радиогалактик. Масштабы разрешаемых структур
в этом случае более чем в 1000 раз мельче тех, которые способен
разрешить самый большой оптический телескоп. В некоторых
случаях наблюдался невероятно мощный всплеск радиоволн из
ядра, сопровождаемый расширением излучающей в радиодиапа-
зоне области. Подобные галактики столь удалены, что скорость
их расширения, необходимая, чтобы происходящие с галактикой
изменения были обнаружимы, должна быть очень велика. И
в самом деле, видимая скорость расширения в некоторых слу-
чаях фактически превышает скорость света.
Однако, как известно из физики, в природе не существует ско-
ростей, превышающих скорость света. Одно из объяснений этого
явления сводится к попытке рассматривать его как оптическую
иллюзию. Аналогичное по своей геометрии явление наблюдает-
ся, когда луч прожектора прорезает небо. Нам кажется, что луч
имеет очень большую видимую скорость относительно звезд.
Звезды так далеки, что, как бы ни велики были их скорости, мы
едва замечаем какое бы то ни было движение. Но луч прожекто-
ра пересекает небо за какие-нибудь секунды с точки зрения гипо-
тетических наблюдателей, находящихся на ближайшей звезде.
Кажущаяся скорость луча, если бы он был достаточно мощным,
чтобы достичь этих наблюдателей, была бы намного больше,
чем скорость света. Таким образом, видимые скорости могут
превышать скорость света, хотя скорость любого материального
объекта всегда меньше скорости света.
210
Рис. 81. Модель двойного выброса для радиогалактики
Мощный источник энергии в ядре галактики испускает непрерывный поток ча-
стиц высокой энергии. Они прокладывают себе путь вдоль меньшей оси газово-
го облака, охватывающего ядро, и через окружающую межгалактическую среду
пробиваются две струи частиц. Эти струи в конце концов разбрызгиваются
и останавливаются, образуя гигантские области плазмы (напоминающие по
форме уши), которая излучает радиоволны. Испускание радиоволн обусловлено
синхротронным излучением релятивистских электронов, выбрасываемых из ядра
в замагниченные области «радиоушей».
Какова причина таких взрывов в радиогалактиках, пока
остается предметом чисто умозрительных построений. Область,
в которой происходит взрыв, очень мала, возможно, всего лишь
несколько световых лет в поперечнике. Эта область расположена
в очень плотном ядре галактики, в самой внутренней ее части.
Размер этой области очень мал, что существенно ограничивает
возможную природу источника энергии. Согласно одной из гипо-
тез, из ядра галактики с большой скоростью выбрасываются
массивные компактные объекты, с массой порядка 1 млн. масс
Солнца. Эти объекты служат источниками высокоэнергетических
электронов в областях радиоизлучения. В соответствии с другой
точкой зрения взрыв представляет собой выброс из ядра галак-
тики большого числа частиц высокой энергии. Частицы проно-
сятся сквозь газовую среду в центральной области галактики
(рис. 81). Если распределение газа (из-за вращения) имеет упло-
щенную форму, то частицы должны стремиться двигаться по пу-
ти наименьшего сопротивления, т. е. вдоль наименьшей оси обла-
сти, в которой распределен газ. Непрерывные потоки частиц вы-
сокой энергии могли бы пробивать окружающий газ и проникать
сквозь любую межгалактическую среду, окружающую галактику.
В конце концов эти струйные потоки частиц будут обрываться,
накапливаясь в «радиоушах».
211
Эта модель двух струй, по-видимому, дает разумное оОъясне-
ние морфологии наблюдаемых радиогалактик, но остается загад-
кой природа той силы, которая приводит к возникновению
двойных потоков частиц. И это совсем не потому, что не удается
построить приемлемую теорию. Напротив, мы в избытке распо-
лагаем теориями, объясняющими природу ядер радиогалактик,
но у нас нет подходящих критериев, которые позволили бы вы-
брать из этих теорий правильную. Кажется весьма вероятным,
что механизм основного выхода энергии в ядрах радиогалактик
тесно связан с феноменом квазаров, излучение которых, как мы
увидим, формируется в очень компактной области.
КВАЗИЗВЕЗДНЫЕ
РАДИО ИСТОЧНИКИ
Было обнаружено большое количество слабых радиоисточников,
связанных с оптическими объектами, изображения которых неот-
личимы от изображений обычных звезд. Фотографическое из-
ображение галактики достаточно протяженно и, следовательно,
легко отличимо от изображения звезды. Конечно, изображение
звезды имеет конечный, а не точечный размер, что связано с рас-
сеянием и преломлением света, идущего от звезды, в земной ат-
мосфере. Атмосферная турбулентность, возникающая из-за
малых температурных неоднородностей в атмосфере в масшта-
бах нескольких сантиметров, приводит также к слабому отклоне-
нию или мерцанию изображения звезд. В изображениях планет
мерцания, как правило, отсутствуют: из-за больших размеров
изображений этот эффект проявляется гораздо слабее.
Довольно быстро ученые поняли, что звездообразные двойни-
ки радиоисточников не являются обычными звездами (рис. 82).
Эти слабые оптические источники получили название «квазары»
(сокращение от «квазизвездные радиоисточники»), когда обнару-
жилось большое отличие спектров их оптических двойников от
спектров обычных звезд-свет от квазаров имел значительное
красное смещение.
Проведенные недавно обследования неба показали, что в неко-
торых случаях свет от наиболее далеких квазаров может быть сме-
щен в красную область спектра на длину волны, в 4 раза превы-
шающую длину волны, на которой происходило излучение. Следо-
вательно, такой квазар имеет красное смещение (относительное
увеличение длины волны), равное 3. Водородная a-линия серии
Лаймана (главная эмиссионная линия водорода, обусловленная пе-
реходом атома водорода с первого возбужденного уровня в основ-
ное состояние), которая в нормальных условиях лежит в „ультра-
фиолетовой области спектра и имеет длину водны 1216 А, будет
наблюдаться в такой звезде на волне 4 864 А, т.е. в голубой
области видимого спектра.
212
a
б
Рис. 82. Ближайший квазар
Это фотография квазара ЗС 273, звездоподобного объекта 14-й звездной вели-
чины, имеющего небольшой выброс; считают, что этот выброс возник во время
взрыва квазара, который произошел несколько миллионов лет назад (а). Спектр
излучения квазара (б) охватывает широкий диапазон длин волн и во многом по-
хож на спектр ядра галактики Центавр А (см. рис. 78). Существенное раз-
личие заключается в том, что собственная светимость квазара в 1000 раз боль-
ше-это один из самых ярких объектов во Вселенной.
Спектральные линии, отождествленные в спектрах квазаров,
совершенно непохожи на линии в спектрах других звезд (рис. 83).
Они больше напоминают спектры видимого света, излучаемого
ядрами галактик определенного типа (весьма необычных), ко-
торые называются сейфертовскими галактиками. Ядра сейфер-
товских галактик содержат облака горячего газа, движущиеся со
скоростями в сотни километров в секунду. Излучение горячего
газа подавляет излучение всех звезд, присутствующих в ядре.
Спектры квазаров также имеют вид, характерный для спектров
излучения горячего газа. Видны также темные линии поглоще-
ния. Линии поглощения в спектре излучения обычно появляются
в том случае, когда мы наблюдаем источник излучения (таким
источником может быть значительно более горячий газ) сквозь
более холодный (поглощающий) газ. Линии поглощения в спек-
тре квазаров имеют другое (как правило, меньшее) красное сме-
щение, чем линии излучения, и это указывает на то, что поглоще-
ние происходит в области, которая физически существенно
отличается от области, в которой формируются эмиссионные ли-
нии. Часто в линиях поглощения одного и того же квазара изме-
ряют несколько различных красных смещений.
Большинство астрономов считают, что красное смещение из-
лучения квазаров по своему происхождению подобно красному
смещению излучения далеких галактик. Красное смещение есть
не что иное, как доплеровский сдвиг спектральных линий, обус-
ловленный высокими скоростями удаления квазаров, которые
расположены от нас на очень больших расстояниях. Временами
возникали споры и предлагались некосмологические объяснения
красных смещений квазаров. Наиболее вероятная некосмологиче-
ская интерпретация красных смещений квазаров основывается на
гравитационном красном смещении -свет должен испытывать
большое красное смещение, если он был испущен достаточно
близко, например, от черной дыры. Чтобы понять это явление,
обратимся к следующей аналогии. Представьте себе подъемник,
поднимающий лыжников на очень высокую гору. Если за час
у подножия горы через лифт проходят 1000 лыжников, то за час
до вершины доберутся лишь 999 лыжников. Чем объясняется та-
кое различие? Время течет медленнее в области более низкого
гравитационного потенциала, т.е. у подножия горы, и часы там
идут медленнее. Поэтому каждая тысяча лыжников проходит че-
рез лифт у подножия горы за чуть большее время, чем
у вершины.
Конечно, в этом примере эффект сильно преувеличен, но
уменьшение частоты света в гравитационном поле происходит
аналогичным образом. Этот эффект был непосредственно изме-
рен на Земле, где красное смещение составляет всего лишь 10“1 °.
Вблизи черной дыры красное смещение намного больше.
В случае квазара черная дыра, если она действительно там есть,
должна быть очень массивной, с массой порядка 108 солнечных
214
Длина волны излуч. сдвинута за счет красного смещения, равного 3
4864	6196	7636
___I_______I______I______I_____L1_______LJ______I___I__I______I
О 1000	2000 3000 4000 5000	6000 7000 8000 9000
Наблюдаемая длина волны,А
Рис. 83. Красное смещение квазаров
Спектры четырех квазаров с различными красными смещениями иллюстрируют
диапазон длин волн, который следует покрыть, чтобы отождествить красные
смещения квазаров. Чтобы установить величину конкретного красного смеще-
ния, необходимо исследовать несколько спектральных линий, потому что крас-
ное смещение одной какой-то линии могло бы быть произвольным. Наклонные
линии соответствуют излучению, испускаемому водородом, углеродом и маг-
нием. При красном смещении (Z), равном 1, самая интенсивная линия водорода
(а серии Лаймана) наблюдается при длине волны 2432 А, что в два раза пре-
восходит длину волныо испускаемого излучения; при красном смещении 2 она
наблюдается при 3648 А. Фотоны, создающие наблюдаемый ныне спектр квазара
PHL 957, были испущены, когда возраст Вселенной составлял всего лишь 20%
от ее сегодняшнего возраста.
масс; только в этом случае может высвобождаться достаточное
количество энергии падающего на нее газа, однако красные сме-
щения 3~4 (максимальные значения, обнаруженные в квазарах)
в принципе достижимы.
Можно ожидать, что мощные гравитационные поля вокруг
черной дыры искажают спектр испускаемого вблизи нее излуче-
ния. Вследствие движения атомов газа вблизи черной дыры
с почти релятивистскими скоростями спектральные линии дол-
жны испытывать значительное уширение. Однако квазары имеют
сравнительно узкие спектральные линии, и этот факт делает не-
состоятельной интерпретацию красных смещений квазаров как
гравитационных красных смещений.
Мы не располагаем ни одним убедительным фактом, ко-
торый заставил бы усомниться в космологической природе
красных смещений квазаров. Поскольку космологическое красное
смещение дает самое простое объяснение явления квазаров
в рамках известных физических законов, мы, как это общеприня-
то, будем считать, что квазары находятся на расстояниях, опре-
деляемых их красными смещениями. По меньшей мере два вида
наблюдений дают свидетельства в пользу космологических рас-
стояний до квазаров. Во-первых, квазары иногда встречаются
в скоплениях или группах галактик, обладающих теми же
красными смещениями. Во-вторых, красное смещение линий по-
глощения, обнаруженных в одном-двух квазарах, совпадает
с красным смещением галактики, находящейся на том же луче
зрения.
Линии поглощения в спектре квазаров, красное смещение ко-
торых существенно отличается от красного смещения остального
спектра, вероятно, обусловлены поглощением в газе во внешних
областях галактик, расположенных на луче зрения, т. е. между на-
ми и квазаром. Межгалактические газовые облака также могут
приводить к поглощению света на пути между Землей и кваза-
ром. Квазар, как правило, так ярок и находится столь далеко,
что мы не можем увидеть изображения других галактик, лежа-
щих на луче зрения между Землей и квазаром. Однако если про-
межуточные галактики содержат межзвездный газ, то об их су-
ществовании можно судить по поглощению света от квазара.
Чтобы галактика поглощала свет от далекого квазара, необходи-
мо предположить, что во внешних частях галактического гало,
в области, которая может простираться за видимую границу га-
лактики, имеется газ. На луче зрения между нами и далеким ква-
заром может встретиться несколько весьма удаленных друг от
друга поглощающих областей. Поэтому в линиях поглощения
квазара с заданным (большим) красным смещением излучения
должен обнаруживаться целый набор красных смещений. В той
или иной степени это и наблюдается. Можно назвать по крайней
мере один случай, когда надежно установлено существование
промежуточной галактики, которая приводит к возникновению
216
Я ркие _____________г—___	-г...	.....
 Ив!^11ИИ1Ж»|Ж<11в»вв1И1в
миИМ iBtMiS^tMiaiMMMiBfMitMfc^Bitffc^^^^ I
квазары __!_________I________________I__________
1931	1934	1937	1940	I943	1946	1949 1952
Годы наблюдений --
Рис. 84. Кривая блеска квазара
Видимая величина квазара ЗС 279 (при красном смещении 0,5) варьируется поч-
ти на семь величин. В максимуме светимости, достигнутом в 1937 г., квазар
был самым ярким объектом во Вселенной. Кривая блеска указывает на тенден-
цию к повторению каждые несколько лет всплесков светимости.
в спектре квазара линий поглощения с красным смещением,
равным красному смещению галактики; сам квазар имеет более
сильное красное смещение.
По выходу энергии квазар превышает ярчайшие галактики.
Средний квазар ярче чем 300 млрд. Солнц. Несколько из обнару-
женных квазаров обладают исключительной яркостью, для них
приведенная цифра оказывается в 100 раз больше. Кроме того,
квазары являются интенсивными источниками рентгеновского
излучения: в рентгеновском диапазоне они излучают столько же
энергии, сколько во всей оптической области спектра. Вся эта
энергия должна высвобождаться внутри объема с диаметром,
меньшим, чем расстояние между Солнцем и ближайшей к нему
звездой. В этом нас убеждает тот факт, что светимость многих
квазаров изменяется за время порядка нескольких лет. Неко-
торые квазары периодически вспыхивают, увеличивая яркость на
несколько порядков величины за период примерно в несколько
лет (рис. 84). Даже если бы этот источник энергии взрывался со
скоростью света, то и тогда, чтобы светимость могла изменяться
достаточно быстро, его диаметр не должен заметно превышать
светового года. Размер квазара мы определяем по запаздыванию
света, приходящего к нам с дальней стороны квазара относи-
тельно света, приходящего с ближней стороны квазара, если этот
свет был испущен квазаром в один и тот же момент времени
217
Рис. 85. Характерное время вариаций светимости квазаров
Минимальный промежуток времени, в течение которого можно надеяться на-
блюдать какое-либо изменение светимости квазара, определяется размером из-
лучающей области (а). Независимо от того, насколько быстро в действительнос-
ти может флуктуировать источник, свет, который мы принимаем (б), будет
распределен по этому интервалу времени. Если квазар расположен на расстоя-
нии D, то свету, испущенному более удаленной от нас частью квазара, требуется
несколько больше времени, чтобы достичь нас, чем свету, который был испущен
обращенной к нам стороной квазара. Измеряя период переменности (Т), можно
определить максимальный размер излучающей области в квазаре; этот размер
должен соответствовать расстоянию, проходимому светом, сТ.
(рис. 85). Следовательно, вспышка света от квазара растягивается
в пространстве на расстояние, соответствующее времени, за ко-
торое свет проходит диаметр квазара.
ТЕОРИИ КВАЗАРОВ
И РАДИОГАЛАКТИК
Для объяснения природы квазаров и связанных с ними процессов
в активных ядрах радиогалактик было предложено несколько
конкурирующих друг с другом теорий. Согласно одной точке
218
зрения, квазары-это явление, связанное с образованием галак-
тик. Вещество, сброшенное ранними поколениями массивных
звезд в ходе сжатия протогалактики, собирается в ее ядре, где
в коротком, но интенсивном взрыве, приводящем к звездообра-
зованию, достигается значительная светимость. Однако эта тео-
рия не в состоянии объяснить тот факт, что в квазарах мы видим
нормальные количества тяжелых элементов,-факт, указывающий
на то, что уже произошла заметная звездная эволюция.
Согласно противоположной точке зрения, квазар предста-
вляет собой заключительные стадии эволюции ядра галактики.
Плотность звезд в центральных областях галактики очень вели-
ка; расстояния между звездами составляют всего лишь одну со-
тую светового года (1000 а. е.). В распределении звезд наблюдает-
ся тенденция к разделению на массивные звезды, которые
должны концентрироваться к центру, и на менее массивные
звезды, населяющие внешние области ядра. Массивные звезды
начинают сталкиваться друг с другом, что может вызывать ката-
строфические события, которые в свою очередь могут приводить
к взрывам сверхновых. Частые взрывы сверхновых в компактной
плотной системе звезд и могли бы послужить источником энер-
гии для квазаров.
Наиболее известный вариант этой модели сводится к тому,
что квазар-это сверхмассивный объект, возможно гигантская
черная дыра, с массой порядка 100 млн. солнечных масс, распо-
ложенный в плотном ядре галактики (рис. 86). (Некоторые теоре-
тики отдают предпочтение модели массивного, но компактного
облака, сжатию которого препятствуют силы, порождаемые не-
кой комбинацией магнитного поля, вращения и турбулентности.
Однако таким системам, по-видимому, трудно избежать неустой-
чивости.) Массивная черная дыра разрушает и в конце концов за-
хватывает звезды, орбиты которых проходят слишком близко от
нее.
В процессе аккреции на черную дыру вещество становится
очень горячим. Возникающее в результате рентгеновское излуче-
ние и может служить источником энергии квазара. Одним из
самых сильных аргументов в пользу модели компактного источ-
ника энергии являются замеченные вариации светимости кваза-
ров с характерным временем менее одного светового дня. Этот
интервал составляет 300 а. е., что равно радиусу Шварцшильда
черной дыры с массой 10 млрд, солнечных масс; этот радиус
очерчивает вокруг черной дыры поверхность, внутри которой
происходит захват света. Интенсивное рентгеновское излучение
квазара также наилучшим образом объясняется, если в качестве
основного источника энергии рассматривать массивную черную
дыру, потому что газ, падающий на такой массивный и ком-
пактный объект, нагревается достаточно эффективно и способен
испускать рентгеновское излучение.
219
Рис. 86. Модель квазара
Запасы энергии в квазарах и активных ядрах галактик, вероятно, поступают из
чрезвычайно плотной звездной системы, которая испытывает бурную эволю-
цию. Мы знаем, что плотность звезд в ядрах многих галактик превышает 1 млн.
солнечных масс/пс3; согласно теории, эта плотность постоянно возрастает по
мере того, как звезды эволюционируют, сбрасывают вещество и образуются
новые звезды. Столкновения звезд происходят теперь с большой вероятностью,
приводя к слиянию и образованию массивной звезды. Массивные звезды взры-
ваются как сверхновые, другие звезды сталкиваются разрушаясь, и вся эта масса
газовых отходов непрерывно падает к центру в ядро галактики, увеличивая тем
самым его плотность. Далее образуются новые звезды, и цикл опять повторяет-
ся. Сверхновые могли оставлять после себя компактные объекты, черные дыры
или нейтронные звезды, которые эволюционировали во все более плотные скоп-
ления. При этом выделяется так много энергии, что рано или поздно образова-
ние звезд прекращается и возникает аморфное сверхмассивное облако. Такое
облако должно быть неустойчивым и коллапсировать сначала в сверхмассивную
звезду, а затем в массивную черную дыру с массой, возможно, в 100 млн. сол-
нечных масс. Эта дыра, по-видимому, один за другим заглатывала звездные
остатки, и в ходе этого процесса высвобождались огромные количества энергии.
Есть и другая возможность: сверхмассивная звезда могла испытать сильный
ядерный взрыв при фрагментации на несколько массивных облаков, которые
время от времени, как из рогатки («эффект пращи»), выбрасывались из ядра
галактики.
В последнее время появились некоторые свидетельства в пользу теории мас-
сивной черной дыры в активных ядрах галактик и в квазарах. Такая дыра, возмож-
но, присутствует в ядре гигантской эллиптической галактики М 87. В центре этой
галактики наблюдается необычно высокая концентрация звезд, и движутся они
более быстро; похоже, что за их быстрые хаотические движения ответственно
сильное гравитационное поле массивной черной дыры, расположенной в центре.
В случае квазаров указания на существование черной дыры менее опреде-
ленны, но излучение квазаров можно объяснить с помощью модели толсто-
го диска из аккрецируемого горячего газа вокруг массивной черной дыры.
Из всего множества теорий квазаров модель массивной чер-
ной дыры представляется наиболее вероятной. Эта модель при-
влекательна тем, что если она справедлива, то кажется вполне
возможным, что в каждой большой галактике имеется подобная
черная дыра, спрятанная в ядре галактики. И лишь время от
времени благодаря аккреции газа или звезд она может активизи-
роваться. В частности, в сейфертовских галактиках мы наблю-
даем процессы, для протекания которых необходим мощный
центральный источник энергии, который к тому же способен со-
здавать и интенсивное рентгеновское излучение. Многие оптиче-
ские характеристики сейфертовских галактик - такие, как эмис-
сионные линии в спектре излучения их ядер,-делают их
похожими на квазары, хотя полная светимость сейфертовских га-
лактик существенно меньше.
Статистика распределения квазаров по красным смещениям
указывает на то, что более часто квазары встречаются в более
ранние эпохи Вселенной. Можно ожидать, что при красном сме-
щении 3 они столь же частые явления, как и большие галактики.
Очевидно, к современной эпохе квазары погасли. Однако не ис-
ключено, что некоторый след от фазы квазаров еще сохранился
глубоко внутри ядер ближайших галактик и, возможно, в центре
нашей собственной Галактики.
Фактически мы мало что знаем о ядрах галактик. Стоит от-
метить одно любопытное их свойство. Как галактика Андро-
меды, так и ее спутник-карликовая эллиптическая галактика,
имеют симметричное относительно центра распределение света
с пиком в центре каждой из этих галактик. Более яркий пример,
возможно, дает гигантская эллиптическая галактика М 87 в скоп-
лении Девы; в распределении света в ней также обнаруживается
центральный пик (касп). Недавние спектроскопические наблюде-
ния показали, что звезды в этой галактике имеют возрастающую
в направлении каспа дисперсию скоростей, т.е. движутся более
быстро; этого и следовало ожидать, если бы в центре галактики
концентрировалась огромная масса. Вполне возможно, что мы
видим распределение звезд, скопившихся вокруг очень массивно-
го и очень компактного центрального объекта типа гигантской
черной дыры. Из этих наблюдений следует, что масса в центре
М 87 превышает миллиард солнечных масс. Другая, более осто-
рожная точка зрения состоит в том, что вследствие динамиче-
ской релаксации в галактическом ядре остатки массивных звезд,
возможно нейтронные звезды и черные дыры, сильнее концен-
трируются к центру, чем менее массивные звезды. Возникающая
в результате концентрация массы может объяснить центральный
пик светимости.
Подобное явление, по-видимому, имеет место по крайней ме-
ре в одном шаровом звездном скоплении, в котором также на-
блюдается пик в распределении светимости. Это явление вызва-
ло еще больший интерес после открытия связанного с ним
221
рентгеновского излучения. Наряду с периодическими всплесками
рентгеновского излучения имеется также постоянная компонента
рентгеновского излучения. Было высказано предположение, что
мы наблюдаем падение осколков звезд на массивную черную
дыру, предположительная масса которой сегодня составляет при-
мерно 100 солнечных масс. Конечно, возможны и другие модели,
и о природе источников рентгеновского излучения в шаровых
скоплениях в настоящее время ведутся споры. Однако по-прежне-
му не исключается возможность, что мы видим заключительные
стадии аккреции газа на массивную черную дыру.
Как образуются эти массивные черные дыры? Идет ли речь
о черной дыре массой 100 млн. солнечных масс в ядре какой-ни-
будь галактики или о черной дыре в 100 солнечных масс в шаро-
вом скоплении - в любом случае черные дыры гораздо массивнее
любой звезды, образовавшейся в ходе нормальной звездной эво-
люции. Как мы увидим в следующей главе, для начальных ста-
дий эволюции галактик характерна быстрая эволюция раннего
поколения большого числа массивных звезд (с массами вплоть
до 100 солнечных масс); именно они обеспечили основную часть
тяжелых элементов, которые мы обнаруживаем сегодня внутри
звезд типа Солнца. Можно предположить, что эти массивные
звезды оставили после себя черные дыры, которые могли в конце
концов слиться в намного более массивную черную дыру. Не-
прерывно увеличиваясь за счет захвата ближайших звезд и газа,
такие центральные черные дыры к сегодняшнему дню опреде-
ляют судьбу квазаров и, возможно, хотя и в меньшей степени,
активных ядер менее ярких галактик.
ОБРАЗОВАНИЕ ЗВЕЗД
13 ________________________________________________
Я не претендую на понимание
Вселенной - она намного больше меня.
Томас Карлайл
Наблюдатель-если бы таковой мог присутствовать во Вселен-
ной 10 млрд, лет назад, до рождения Солнца,-стал бы очевидцем
захватывающего зрелища. Многие звезды к тому времени уже
образовались, и наш Млечный Путь был, возможно, в 100 раз
ярче, чем сегодня. Другие звезды вспыхивали взрывами сверх-
новых, отмечавшими их бурную смерть. Рождение и смерть
звезд-частые события в сегодняшней Вселенной, которые позво-
ляют астрономам познать процессы звездной эволюции. В этой
главе мы займемся изучением этих процессов, чтобы сделать пол-
ной нарисованную нами картину эволюции ранней Вселенной.
РОЖДЕНИЕ И СМЕРТЬ ЗВЕЗД
Когда впервые происходит конденсация звезды из газа, она вы-
глядит очень протяженным объектом. Звезда начинает светить
и предстает перед наблюдателем как красный (или даже инфра-
красный) яркий объект. Постепенно звезда сжимается, становится
горячей и начинает излучать на более коротких волнах, а темп ее
излучения существенно уменьшается. Если звезда достаточно
массивна, скажем около 10 масс Солнца, то она быстро исчер-
пает свой запас ядерного топлива. Жизнь звезды-это зыбкое
равновесие между силами гравитационного притяжения, напра-
вленными к центру, и направленным наружу давлением, которое
создается горячим газом, заключенным во внутренних областях
звезды, который стремится расшириться и постепенно остывает.
Когда ядерное топливо исчерпывается, в центре звезды уже не
может поддерживаться та разница давлений, которая в состоя-
нии противодействовать гравитационной силе и удерживать звез-
ду от сжатия. В ядре звезды происходит катастрофический кол-
лапс, приводящий к взрыву сверхновой; этот взрыв сопрово-
ждается выбросом газа из внешних слоев звезды и ослепитель-
ной вспышкой света.
Многие звезды нашей Галактики умерли бурной смертью,
взрываясь как сверхновые в ранние годы ее существования, но
сегодня сверхновая-это редкое явление в Млечном Пути. Как-то
223
a
б
Рис. 87. Сверхновая в другой галактике
Фотографии спиральной галактики М 101 в отсутствие (а) и в присутствии (б)
сверхновой.
было сказано, что следующая яркая сверхновая явится предвест-
ником рождения или смерти великого астронома. Последние из
наблюдавшихся в нашей Галактике сверхновых были названы
в честь астрономов, заметивших их первыми,-Тихо Браге и Ио-
ганна Кеплера.
Значительная часть нашей Галактики скрыта от нас межзвезд-
ной пылью, и вполне возможно, что какая-то сверхновая взорва-
лась не так давно. Более ясное представление о темпе взрывов
сверхновых мы можем получить, изучая другие галактики
(рис. 87). При таких взрывах звезда внезапно и очень быстро уве-
личивает свою яркость и за время порядка нескольких недель
становится ярче миллиарда Солнц. Сверхновая вносит заметный
вклад в свет всей галактики. Затем-за время около года-сверх-
новая быстро тускнеет и вскоре становится неотличимой от дру-
гих звезд в галактике. Сверхновые существенно ярче, и все про-
цессы протекают в них более бурно, чем у новых, которые
встречаются намного чаще. Нередко звезда может испытывать
повторяющиеся вспышки в виде новой, но взрыв сверхновой-
это действительно катастрофа: звезда умирает. Обнаружено, что
в других спиральных галактиках, подобных нашей, взрывы сверх-
новых происходят примерно раз в каждые тридцать лет. Предпо-
224
лагается, что в ранние годы жизни нашей Галактики взрывы
сверхновых происходили довольно часто - возможно, не реже
раза в год. В «молодости» наша Галактика, по-видимому, была
во много раз более активной.
Чтобы прийти к такому замечательному выводу о ранней
эволюции нашей Галактики, ученым пришлось проделать по-
истине «следовательскую» работу. Первый тип наблюдений свя-
зан с исследованием содержания тяжелых элементов в Галакти-
ке. Предполагается, что тяжелые элементы, обнаруженные даже
в самых старых звездах, должны были синтезироваться в сверх-
новых. Элементы тяжелее железа могли быть произведены толь-
ко при чрезвычайно высоких плотностях и давлениях вещества,
которые достигаются на заключительных фазах звездной эволю-
ции. Взрывом сверхновой эти тяжелые элементы выбрасываются
наружу, в межзвездную среду. Обогащенный ими газ смешивает-
ся с более старым газом и в конце концов вновь используется
при формировании более позднего поколения звезд. Чтобы воз-
никло наблюдаемое сегодня количество тяжелых элементов, дол-
жно было произойти большое число взрывов сверхновых. Боль-
шая часть этих взрывов, вероятно, происходила на стадии очень
ранней эволюции нашей Галактики, когда она была достаточно
протяженной.
Наиболее старые из изученных звезд астрономы обнаружили
в галактическом гало. Очевидно, они образовались в ходе на-
чального сжатия Галактики.
Определение возраста звезды-очень сложная процедура; не-
обходимо рассчитать скорость, с которой звезда должна «сжи-
гать» свой запас ядерного горючего, чтобы обеспечить наблю-
даемую светимость. Чем менее массивна звезда, тем ниже
должна быть температура в ее центре, поскольку, чтобы удер-
жать такую звезду от гравитационного коллапса, требуется
меньшее давление газа. Поэтому менее массивные звезды оказы-
ваются более холодными и излучают менее эффективно. Как об-
наружилось, светимость звезды непосредственно зависит от ее
массы, по крайней мере в течение фазы горения водорода. Более
низкая скорость высвобождения ядерной энергии, обусловленная
более низкой светимостью, приводит к тому, что маломассивные
звезды имеют гораздо большую продолжительность жизни.
Звезды с массой в 1 солнечную массу, в которых происходят
процессы горения водорода, живут около 10 млрд, лет, а звезды
с массой 20 солнечных масс могут жить всего лишь несколько
миллионов лет. Массивные звезды быстро расходуют свою ядер-
ную энергию, и поэтому жизнь их коротка.
Исчерпав свои запасы водорода как ядерного горючего, на
следующем этапе эволюции звезда начинает сжигать гелий.
А когда и запасы гелия в звездном ядре будут исчерпаны, на-
чинают сгорать более тяжелые элементы-и так до тех пор, пока
в конце концов звезда не сколлапсирует. Маломассивные звезды,
8-896
225
Рис. 88. Обогащение галактики
Сверхновые и эволюционирующие звезды создают обогащенное тяжелыми эле-
ментами вещество в самых внешних областях галактики, где должны были
образовываться самые ранние звезды. Выброшенное вещество падает к центру
и в конце концов собирается в облака, из которых формируются звезды. Эти
звезды в свою очередь производят еще более обогащенное вещество. Так, сте-
пень обогащенности возрастает, поэтому звезды, наиболее богатые тяжелыми
элементами, обнаруживают поблизости от ядра галактики.
в которых происходит горение гелия, обнаруживают в шаровых
скоплениях; эти звезды являются самыми старыми в Галактике.
Их возраст оценивается примерно в 15 млрд. лет. По сравнению
с Солнцем эти старые звезды часто бедны тяжелыми элемента-
226
ми. Как мы увидим в гл. 15, происхождение тяжелых элементов
тесно связано с самыми ранними стадиями формирования нашей
Г алактики.
Нет сомнения, что массивные короткоживущие звезды со вре-
менем станут сверхновыми. И наоборот, звездам, подобным
Солнцу, предстоит очень длинная жизнь. Ранняя Галактика дол-
жна была содержать главным образом массивные звезды; в про-
тивном случае мы наблюдали бы много звезд с массами около
1 солнечной массы, в которых мало или совсем нет тяжелых эле-
ментов. В действительности же обнаруживается поразительно
малое количество звезд с полным дефицитом тяжелых элемен-
тов. Даже в самых старых звездах содержание тяжелых элемен-
тов составляет, по-видимому, около 1% их содержания в Солнце.
Короткоживущие массивные звезды должны были обеспечить тя-
желыми элементами газ, из которого впоследствии конденсиро-
вались более поздние поколения звезд.
Второй тип наблюдений, позволяющих нам делать выводы
о ранних фазах эволюции галактик,-изучение спектров далеких
галактик. Часто обнаруживают, что спектры внутренних и внеш-
них областей галактик различны. Многие миллиарды звезд вно-
сят свой вклад в свет галактик, и, как установлено, звездное насе-
ление, сосредоточенное ближе к центру галактики, как правило,
содержит гораздо больше тяжелых элементов. Из этого резуль-
тата следует, что по мере того, как звезды эволюционировали
и выбрасывали газ, обогащенный тяжелыми элементами, он па-
дал к внутренним областям галактики, где, смешиваясь с «непе-
реработанным» веществом, конденсировался с образованием сле-
дующего поколения звезд. Этот процесс мог повторяться
неоднократно (рис. 88). В конце концов это привело к тому, что
звезды, наиболее близкие к центру галактики, становились все
более богатыми тяжелыми элементами по сравнению со звезда-
ми, удаленными от центра. Очевидно, что падение газа и не-
прерывное обогащение его в результате образования массивных
звезд являлось важным процессом на ранней стадии эволюции
галактик.
ПЕРВЫЕ ЗВЕЗДЫ
Теперь вернемся к нашим попыткам воссоздать эволюцию Га-
лактики и рассмотрим вопрос о том, как могли образоваться
первые звезды [17]. Сжимающееся в раннюю эпоху протогалак-
тическое газовое облако состояло, по-видимому, в основном из
водорода. Около 10% входящих в него атомов были атомами ге-
лия. Более тяжелые элементы вначале практически отсутствова-
ли. Газ, который первоначально был довольно холодным, разо-
гревался по мере сжатия облака. В ходе сжатия образовывались
ячейки турбулентности, которые сталкивались друг с другом;
при этом их энергия рассеивалась, превращаясь в тепло. Поэто-
8*
227
Рис. 89. Охлаждение за счет излучения
Энергия быстро движущихся свободных электронов превращается в излучение,
когда они сталкиваются с атомами водорода и возбуждают связанные в атоме
электроны (а). В конечном счете происходит охлаждение (потеря энергии) газа за
счет излучения (б).
му макроскопические движения, сопровождающие сжатие,-ко-
торые в обычных условиях должны были бы нарастать в ходе
сжатия,-по-видимому, постепенно затухали в результате турбу-
лентности и формирования ударных волн.
Однако вскоре, по мере сжатия, плотность газа становилась
достаточно высокой и он начинал излучать энергию при столк-
новениях атомов. Температура газа поднималась до 10000 граду-
сов, при таких температурах водород частично ионизован. Сжа-
тие продолжалось, но температура его оставалась неизменной.
Это обусловлено одним фундаментальным свойством атома во-
дорода. С повышением температуры атомы и свободные элек-
троны начинали двигаться быстрее; процесс ионизации атомов
водорода становится более интенсивным, при этом высвобо-
ждается все больше электронов. Они сталкиваются с другими
атомами водорода, передавая им энергию. В возбужденных ато-
мах, только что испытавших столкновение, связанные электроны
находятся на более высоких энергетических уровнях, чем они бы-
ли до столкновения; однако это состояние электронов неустойчи-
во, и они почти мгновенно возвращаются на прежние уровни,
высвечивая избыток энергии в виде квантов излучения (рис. 89).
Следовательно, когда степень ионизации газа растет, он гораздо
легче излучает часть своей энергии. Другими словами, скорость
его охлаждения возрастает.
228
Однако этот процесс является саморегулирующимся. Если газ
остывает очень сильно, все свободные электроны исчезают. Дело
в том, что в процессе охлаждения свободные электроны теряют
энергию, т. е. замедляются. Такие электроны захватываются про-
тонами и образуют атомы (происходит так называемая реком-
бинация). Но когда рекомбинация электронов становится слиш-
ком быстрой, дальнейшее остывание оказывается невозможным.
Непрерывное высвобождение гравитационной энергии в ходе
продолжающегося сжатия теперь вновь приводит к разогрева-
нию газа и его ионизации. Очевидно, что в газе поддерживается
точный баланс между ионизацией и охлаждением. Начиная с то-
го момента, когда водород становится частично ионизованным
из-за столкновений между атомами, температура газа так
и остается равной примерно 10000 градусов.
Это похоже на естественный термостат: пока происходит
сжатие газового облака, его температура поддерживается более
или менее на одном уровне. Поскольку температура не подни-
мается, силы давления, препятствующие разбиению облака, не
увеличиваются с ростом гравитационных сил в ходе сжатия.
В результате облако фрагментирует на более мелкие, плотные
куски. В каждом из этих фрагментов гравитация и силы давления
первоначально уравновешены. Однако сами фрагменты сжи-
маются по мере сжатия облака, непрерывно разбиваясь на более
мелкие подсистемы. Пока газ может свободно терять энергию на
излучение, а излучение беспрепятственно высвечиваться, силы
давления не могут возрасти настолько, чтобы стабилизировать
облако или воспрепятствовать его сжатию.
Наконец, когда плотность достаточно возрастает, даже слабо
ионизованный водородный газ становится непрозрачным. Как
только это происходит, излучение уже не может свободно ухо-
дить из газа. Температура газа, а следовательно, и давление, на-
чинает возрастать. При достаточном сжатии свободные элек-
троны соединяются с атомами водорода, образуя отрицательные
ионы водорода (Н-). Этот ион водорода в отличие от атома
сильно поглощает свет. Поэтому, когда количество ионов Н ”
возрастает до определенного уровня, излучение, испущенное ато-
мами водорода, оказывается «запертым» и эффективное охла-
ждение газа становится невозможным. Однако облако продол-
жает сжиматься, поскольку силы гравитации по-прежнему
превосходят противодействующие им силы давления-газ разо-
гревается еще сильней. Наконец, когда силы давления оказы-
ваются в состоянии удерживать фрагменты от сжатия под дей-
ствием их собственной самогравитации, процесс фрагментации
прекращается. Теперь протозвездные фрагменты вступают в ста-
дию чрезвычайно медленного сжатия. Скорость излучения силь-
но падает, поскольку фрагменты становятся непрозрачными. Од-
нако никакая звезда не может быть абсолютно непрозрачной.
Чтобы разность давлений удерживала звезду от сжатия под дей-
229
ствием ее собственной гравитации, ее центр всегда должен быть
горячее, чем внешняя часть. Излучение из центра должно в конце
концов диффундировать наружу, при этом в результате поглоще-
ния и переизлучения центральная область звезды может поте-
рять значительную часть своей энергии.
На ранних стадиях формирования звезды образуется ком-
пактное непрозрачное протозвездное ядро, масса которого растет
в ходе аккреции вещества из более разреженной и прозрачной
окружающей среды. Падая на ядро, вещество высвобождает
свою энергию в виде тепла. И пока идет непрерывный процесс
гравитационного сжатия ядра, горячий газ излучает свою энер-
гию наружу. Температура ядра по мере сжатия постоянно растет.
Фаза протозвездного сжатия завершается лишь тогда, когда цен-
тральная область становится настолько плотной и горячей, что
там начинают протекать ядерные реакции. Ядра водорода
и электроны сливаются друг с другом, в результате чего обра-
зуются нейтроны и атомы дейтерия (тяжелого водорода). Когда
температура возрастает до нескольких десятков миллионов гра-
дусов, протоны начинают двигаться достаточно быстро и, пре-
одолевая силы обычного отталкивания, действующие между оди-
наково заряженными частицами, сливаются в ядро дейтерия.
Однако неустойчивые ядра дейтерия «сгорают»: из ядер водоро-
да в конце концов синтезируются ядра гелия, состоящие из двух
ядер дейтерия (из двух протонов и двух нейтронов).
В процессе синтеза гелия из водорода высвобождается значи-
тельное количество энергии. Небольшой процент (0,7%) началь-
ной массы покоя водорода превращается в чистое излучение
в виде фотонов высокой энергии и нейтрино. Реакции синтеза
обеспечивают наличие в ядре звезды постоянного источника теп-
ла и давления. Гравитационное сжатие прекращается, светимость
звезды становится постоянной-теперь звезда попадает на глав-
ную последовательность; в ней идет горение водорода (см. гл. 3).
Солнце-это обычная звезда главной последовательности. Когда
запас водорода в ядре звезды исчерпывается, она покидает глав-
ную последовательность. После этого такая звезда эволюциони-
рует очень быстро, она испытывает дальнейший коллапс, разо-
гревается, сжигая более тяжелые элементы, пока запас ядерного
горючего звезды не исчерпается полностью.
Отличительная особенность первых звезд - отсутствие в них
на начальных стадиях существования каких-либо элементов тя-
желее гелия. Отсутствие тяжелых элементов сказывается в основ-
ном на способности первичного вещества охлаждаться и в конце
концов приобретать непрозрачность. Присутствие тяжелых эле-
ментов критическим образом влияет на эффективность обоих
этих процессов. Энергетические уровни электронов таких элемен-
тов, как углерод, характеризуются достаточно низкими значения-
ми энергии, поэтому атомы углерода могут переходить в возбу-
жденное состояние при столкновениях в довольно холодном газе
230
Первые звезды
Плотность, г/см3
Рис. 90. Образование первых звезд
На рисунке образование звезд происходит в направлении, указанном стрелками.
Поскольку первые звезды совсем не содержат тяжелых элементов, газовое обла-
ко не может охлаждаться, если оно состоит из одних только атомов водорода
и гелия. Если атомы были частично ионизованы, то свободные электроны могли
сталкиваться с атомами, что приводит к излучению. Пока происходят сжатие
и фрагментация облака, оно будет оставаться частично ионизованным при тем-
пературе около 10000К. Этот процесс прекращается, когда фрагменты становят-
ся непрозрачными в результате поглощения излучения молекулами, которые
образовывались при высоких плотностях, когда электроны могли присоединять-
ся к атомам водорода. Вследствие сравнительно высоких температуры и давле-
ния первоначальные фрагменты были более массивными (составляя, возможно,
около 10 солнечных масс), чем при образовании более поздних поколений- звезд,
которое происходило в присутствии частиц пыли, обеспечивающих сильное
охлаждение.
при температуре около 100К. Такие молекулы, как окись углеро-
да, имеют еще более низкие энергетические уровни (связанные
с вращением молекулы). Энергетические уровни молекулы кван-
тованы, как и энергетические уровни связанных электронов
в атомах. Возбуждение молекул, соответствующее их враща-
231
тельным энергетическим уровням, приводит к охлаждению газо-
вого облака до температур порядка всего лишь нескольких гра-
дусов по шкале Кельвина.
Водородные протозвезды образуются при сравнительно высо-
ких температурах (около 10000К), поскольку в них отсутствуют
тяжелые элементы, способствующие охлаждению газа. В более
массивной водородной протозвезде давление должно быть более
высоким, чем в более холодной протозвезде, содержащей тя-
желые элементы. Поэтому при фрагментации ее должны возни-
кать более массивные фрагменты; отсюда мы приходим к за-
ключению, что первые звезды, вероятно, были более массивны-
ми, чем Солнце (рис. 90). Типичная звезда первого поколения
могла быть в 20 раз массивнее Солнца и, возможно, в 10000 раз
ярче его, но продолжительность ее жизни была сравнительно не-
велика-возможно, порядка 10 млн. лет [18]. Ранняя эволюция
галактики, по-видимому, представляла собой поистине захваты-
вающее зрелище.
Звезды первого поколения служили источниками первых тя-
желых элементов. Водород в ядрах звезд превращался в гелий,
а гелий-в углерод. В самой внутренней части ядра звезды в ко-
нечном счете из углерода синтезировались кислород и кремний.
Окончательный продукт ядерного синтеза в звездах-железо-яв-
ляется как мы увидим в гл. 15, самым стабильным элементом.
Рано или поздно звездное ядро, исчерпавшее свое ядерное горю-
чее, должно было испытать коллапс, сопровождавшийся бурным
взрывом сверхновой. Осколки, состоящие из обогащенного тя-
желыми элементами вещества, выбрасывались в межзвездную
среду; из них формировались новые газовые облака, которые
сжимались, образуя следующее поколение звезд. Этот цикл ро-
ждения и смерти звезд мог повторяться в молодой галактике
неоднократно.
ОБРАЗОВАНИЕ ЗВЕЗД
В СОВРЕМЕННУЮ ЭПОХУ
Постепенное добавление тяжелых элементов в межзвездный газ,
происходившее при гибели каждой из наиболее ранних мас-
сивных звезд, сначала не очень заметно влияло на процесс звез-
дообразования, поскольку обогащенный газ мгновенно разба-
влялся первичным. Продолжительность жизни массивных звезд,
выбрасывающих большие количества вещества, весьма мала —
возможно, всего несколько миллионов лет. Это лишь малая
доля того характерного масштаба времени, в течение которого
возможно изменение каких-либо глобальных свойств галактики.
Наконец, после того как завершилась эволюция нескольких поко-
лений массивных водородных звезд, средний уровень обогащен-
ности вещества тяжелыми элементами заметно возрос. Тогда
и наступил момент, когда при излучении энергии из фрагменти-
232
рующих газовых облаков тяжелые элементы стали играть более
важную роль, чем водород. Тяжелые элементы влияют на обра-
зование протозвезд главным образом благодаря присутствию
мельчайших частиц межзвездной пыли. Эти твердые частицы на-
поминают песчинки, хотя они гораздо меньше (радиус средней
частицы составляет лишь около 0,0001 мм). Вначале частицы пы-
ли конденсируются из горячих газов, выбрасываемых звездами
в процессе их эволюции. Тяжелые элементы присутствуют в ти-
пичном межзвездном облаке в основном в виде пыли.
Предполагается, что частицы межзвездной пыли состоят из
вещества типа земных горных пород, включающего силикаты,
в частности кварц. Твердые ядрышки частиц окружены рыхлым
слоем льда-либо обычной замерзшей воды, либо, что тоже воз-
можно, льдом из замерзших аммиака или метана. Если в обыч-
ных межзвездных облаках имеются частицы пыли, то степень
прозрачности облака определяется их количеством на луче зре-
ния. Когда такое облако сжимается, оно становится практически
непрозрачным. Луч света почти полностью поглощается в
облаке или испытывает многократное рассеяние на частицах
пыли.
При сжатии облака присутствие частичек пыли способствует
очень эффективному охлаждению газа. Частицы остаются хо-
лодными и испускают излучение в далеком инфракрасном диапа-
зоне-на длине волны, намного превышающей длину волны по-
глощаемого ими излучения. Напомним, что крошечные частички
могут эффективно взаимодействовать лишь с тем излучением,
длина волны которого сравнима с их собственными размерами.
Излучение далекого инфракрасного диапазона имеет длину во-
лны 0,1-0,01 мм, что намного превышает размеры частиц меж-
звездной пыли. Поэтому такое излучение свободно выходит из
плотного облака и обеспечивает его эффективное охлаждение.
Оставшиеся в газовом облаке тяжелые элементы, вероятно, по-
степенно оседают в ледяных корках вокруг холодных частичек
пыли. Число и размер пылинок, очевидно, будут определяться
как температурой газа, так и непрозрачностью облака.
Таким образом, одно из следствий присутствия в водородном
облаке частиц пыли состоит в том, что если доля тяжелых эле-
ментов по отношению к водороду превышает определенную кри-
тическую величину, то охлаждение сжимающегося облака на-
чинает определяться этими частицами, а не водородом; темпера-
тура облака резко падает до величины, возможно равной всего
лишь ЮК. Облако продолжает сжиматься и остывать; оно
остается холодным до тех пор, пока пылинки могут свободно из-
лучать. Процесс фрагментации облака продолжается, образуются
фрагменты все меньших размеров, пока самые мелкие из них не
становятся настолько плотными и непрозрачными, что их
температура начинает повышаться - образуются протозвездные
ядра.
233
Рис. 91. Звездообразование сегодня
Как только содержание тяжелых элементов возросло настолько, что могло про-
исходить сильное охлаждение (в основном за счет частиц пыли), возникла воз-
можность образования маломассивных звезд. Чтобы прекратилось образование
первичных (в основном массивных) звезд, содержание тяжелых элементов дол-
жно достигнуть примерно 1% их содержания в Солнце. Чем больше тяжелых
элементов, тем скорее может начаться сильное охлаждение и тем меньше ве-
роятность образования массивных звезд. Стрелками указан путь, по которому
проходило образование первых звезд и происходит звездообразование сегодня.
Теперь в отличие от процессов образования более ранних по-
колений звезд-когда не было пыли и тяжелых элементов-ядра
звезд обладают сравнительно малой характерной массой. Это
прямое следствие низких температур (соответственно и низких
давлений), при которых могут образовываться ядра звезд, когда
в газовом облаке присутствуют частицы пыли. Установлено, что
типичные массы протозвездных ядер составляют примерно 0,1
солнечных масс. Дальнейший рост протозвездных ядер происхо-
дит за счет аккреции; с этого момента процесс звездообразова-
ния в значительной мере напоминает уже описанный процесс
образования звезд первого поколения (рис. 91).
234
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ
ЗВЕЗД ПО МАССАМ
Одним из главных ключей к пониманию процессов звездообра-
зования служит распределение вновь образовавшихся звезд по
массам. Сегодня массы звезд лежат в широком интервале от 0,1
до примерно 50 солнечных масс. Однако сейчас рождается срав-
нительно мало массивных звезд; подавляющее большинство
звезд, образующихся в настоящее время в Млечном Пути, обла-
дают небольшими массами и светимостями. Это долгоживущие
звезды; звезды с массой в 1 солнечную массу и меньше имеют
возраст, сравнимый с возрастом Галактики. Первые звезды, по-
видимому, должны были иметь иное распределение по массам,
так как мы наблюдаем мало звезд с очень низким содержанием
тяжелых элементов. Содержание тяжелых элементов в самых
старых из видимых звезд, которые населяют гало нашей Галак-
тики, также составляет в среднем около 1% их содержания
в Солнце (рис. 92). Таким образом, фактическое отсутствие звезд,
крайне бедных металлами, может служить ключом к разгадке
природы первого поколения звезд.
Первые звезды были в основном массивными, яркими и ко-
роткоживущими. Остатки взрывов сверхновых, знаменующих ги-
бель первых звезд, привели к возрастанию среднего содержания
тяжелых элементов до величины, примерно равной 1% их содер-
жания в Солнце. После этого в силу вступил новый механизм
звездообразования, в котором главную роль играет охлаждение
за счет частиц пыли. В результате распределение по массам
вновь образующихся звезд в корне изменилось: отныне могли
образовываться менее массивные долгоживущие звезды. Эти
звезды выжили и образовали сегодняшнее звездное население,
составляющее гало. Вещество, сбрасываемое в ходе эволюции
этих звезд, скапливалось в диске Галактики, где оно перерабаты-
валось в последующих поколениях звезд, все более богатых тя-
желыми элементами. Это постепенное обогащение звезд тяжелы-
ми элементами играло важную роль в течение примерно первых
миллиардов лет жизни Галактики, когда она содержала большое
количество газа и темп звездообразования был соответственно
велик. Образование звезд продолжалось и после, но скорость
этого процесса заметно понизилась. В эллиптических галактиках
почти весь межзвездный газ был потерян, и образование звезд
практически прекратилось. В сильно уплощенных галактиках, та-
ких, как спиральные, сохранилось достаточное количество газа,
так что звезды продолжают образовываться здесь и поныне.
Представим себе сжимающееся газовое облако, которое раз-
бивается на большое число протозвездных фрагментов. Фраг-
менты обладают плотными, непрозрачными ядрами, окруженны-
ми более протяженным и разреженным облаком падающего
газа. Сначала протозвездные фрагменты принимают участие
235
Рис. 92. Нормальные и бедные металлами звезды
Показаны спектрограммы двух звезд нашей Галактики: звезды HD 140283 из
быстро движущегося гало и нормальной звезды из диска; обе звезды имеют
одинаковые светимости и температуры. На верхнем и нижнем спектрах пока-
заны реперные линии, необходимые для калибровки. В спектре быстро движу-
щейся звезды гало заметны слабые линии поглощения всех элементов, кроме во-
дорода. В спектре звезды диска (нашего Солнца) наблюдается много
интенсивных линий поглощения, характерных для таких тяжелых элементов, как
углерод и железо.
в общем сжатии облака, однако вскоре между ними начинают
происходить столкновения. Что же может случиться дальше?
Кажется вполне естественным, что, подобно тому как движе-
ния планет испытывают возмущения из-за присутствия соседних
планет (именно этот факт привел к открытию планеты Нептун),
фрагменты, испытывая столкновения с соседними фрагментами,
приобретают движение в нерадиальном направлении. Сначала
фрагменты очень велики, поэтому между ними будет происхо-
дить много прямых столкновений. Относительные скорости
фрагментов в таких столкновениях слишком малы, чтобы это
могло привести к разрушению фрагментов. Вероятно, происхо-
дившие в то время столкновения были неупругими. Это анало-
гично падению твердого шарика на толстый ковер, а не на
твердый пол: шарик теряет значительную часть своей энергии
при первом же отскоке. Если значительная часть кинетической
энергии фрагментов диссипирует при столкновении, то сталки-
вающиеся фрагменты постепенно становятся гравитационно свя-
занными друг с другом и в конце концов начинают сливаться.
Многие мелкие фрагменты захватываются более крупными.
В итоге столкновения происходят все реже, поскольку фрагмен-
тов остается меньше, а оставшиеся сжимаются, становясь более
плотными. По-видимому, в результате всех этих процессов дол-
жно возникать определенное распределение фрагментов по мас-
сам, не зависящее от масс первоначальных фрагментов.
Такую гипотезу можно попытаться проверить, изучая наблю-
даемое распределение звезд по массам (рис. 93). Имеется много
малых звезд и мало больших. Конечно, массивные звезды обла-
236
дают более короткой продолжительностью жизни, но этот эф-
фект можно учесть, поскольку нам известно, как долго живут
звезды определенной массы. Зная продолжительности жизни
звезд с различными массами, астрономы могут рассчитать, при
каком распределении масс звезды рождаются. Установлено, что
число звезд данной массы, образовавшихся в некоторой выбран-
ной области, очень приближенно обратно пропорционально ква-
драту массы. Это соотношение получило название функции Сал-
питера-в честь американского астрофизика Эдвина Салпитера.
Находим, что частота, с которой встречаются звезды в 2 сол-
нечные массы, составляет '/4, а для звезд в 4 солнечные
массы-лишь V16 от частоты, с которой встречаются звезды
с массой в 1 солнечную массу. Подобная зависимость от массы
обнаруживается в целом ряде различных звездных скоплений.
Эти системы обычно исследуют по той причине, что звезды
в любом скоплении имеют почти один и тот же возраст. Однако
есть исключения из общего правила: в некоторых областях, та-
ких, как темные облака, наблюдается дефицит массивных звезд,
тогда как в областях, где много молодых звезд, имеется дефицит
маломассивных звезд.
Развивая эту идею, мы можем надеяться понять вариации
функции Салпитера при рождении звезд. Кажется вполне ве-
роятным, что столкновения фрагментов могут приводить к фор-
мированию сходных окончательных зависимостей от массы
в любом плотном межзвездном газовом облаке. Однако, с како-
го масштаба масс эта зависимость становится справедливой и на
каком масштабе она теряет свою силу, в значительной степени
зависит от местных условий. Например, в нетурбулентном хо-
лодном облаке первоначальные фрагменты, возможно, имели
очень малую массу, поэтому там могли образовываться прото-
звезды лишь с умеренными массами. Но если облако вначале
было горячим или турбулентным - возможно, из-за влияния со-
седних звезд,-то давление в первоначальных фрагментах могло
быть более высоким, что приводило к сравнительно большим
размерам фрагментов. В этом случае в облаке могли образовы-
ваться массивные звезды, а маломассивные звезды не возникали.
Распределение звезд по массам дает необходимый ключ к по-
ниманию природы процесса рождения звезд. Мы наблюдаем раз-
личия в распределении звезд по массам в нашей Галактике - как
в областях активного звездообразования, так и в таких областях,
как шаровые звездные скопления, где образование звезд не про-
исходит уже десятки миллиардов лет. Наши теоретические пред-
ставления об образовании звезд, хотя они весьма приближенны,
позволяют нам связать наблюдаемое ныне звездообразование
с теми бурными процессами рождения звезд, которые происходи-
ли в еще молодой Галактике.
По-видимому, галактики начинали свою жизнь очень сильной
вспышкой активности. Большинство звезд были массивными
237
Рис. 93. Начальная функция масс для звезд
Массивных звезд наблюдают меньше, чем маломассивных. Число звезд, ко-
торые рождаются в данной области пространства, приблизительно обратно про-
порционально квадрату звездной массы. При малых массах это соотношение
становится неопределенным, поскольку маломассивные звезды трудно обнару-
живать. В некоторых темных облаках заметен дефицит массивных звезд, а в ря-
де молодых звездных ассоциаций видно отсутствие маломассивных звезд.
и короткоживущими, взрывались как сверхновые и выбрасывали
остаточные количества тяжелых элементов, которые мы обнару-
живаем даже в самых старых видимых звездах нашей Галактики.
На протяжении всей этой фазы Галактика, возможно, еще оста-
валась в состоянии непрекращающегося сжатия, начавшегося
в газовом облаке, из которого она конденсировалась. Время сво-
бодного падения, за которое такое облако конденсируется
в объект размером с Галактику, составляет около 100 млн. лет;
за это время успевает пройти много циклов образования мас-
сивных звезд. Звезда с массой 30 солнечных масс исчерпывает
свое ядерное горючее всего лишь за несколько миллионов лет.
Когда количество тяжелых элементов достигло некоторого кри-
тического уровня (около 1% от содержания тяжелых элементов
в Солнце), образование первого поколения звезд фактически за-
вершилось. На этой стадии главную роль играли частицы пыли,
благодаря которым газовые облака могли эффективно охлаж-
даться и фрагментировать вплоть до масштабов масс, суще-
ственно меньших 1 солнечной массы. Образовывались долгожи-
вущие звезды типа Солнца, и распределение звезд в Галактике
238
Рис. 94. Область активного звездообразования
Внутри туманности Конус имеется большое число молодых звезд, известных
под названием звезд типа Т Тельца; эти звезды до сих пор окружены плотным
облаком межзвездного газа, из которого они образовались. Самое яркое пятно
на фотографии-газовая туманность (или область НИ), газ в которой ионизован
излучением очень массивных молодых звезд. Некая туманность видна в отра-
женном свете этих звезд. Заметно также холодное вещество в виде пыли, си-
луэты которого вырисовываются на фоне звезд поля; это вещество интенсивно
излучает в молекулярных спектральных линиях.
Рис. 95. Темные глобулы
Темные глобулы Бока, названные в честь астронома Барта Дж. Бока, настолько
плотны, что полностью задерживают свет от звезд фона. Масса двух видимых
глобул оценивается примерно в 20 солнечных масс. Возможно, это холодное
облако в процессе сжатия в протозвезды.
начинало приобретать свой сегодняшний вид. Теория образова-
ния звезд за счет фрагментации позволяет нам понять наблю-
даемый ныне разброс звездных масс.
Процесс образования звезд продолжается и сегодня. В нашей
Галактике имеются области, в которых много молодых звезд,
получивших название звезд типа Т Тельца по наименованию
звезды-прототипа в созвездии Тельца. Предполагается, что эти
звезды недавно (около 105 лет назад) скондеь ровались из меж-
звездного вещества и еще не успели попасть на главную последо-
240
вательность звездной эволюции (рис. 94). Многие из этих звезд
еще окутаны плотным облаком пыли и молекулярного газа, ко-
торый также является источником излучения с интенсивными
спектральными линиями. Еще более ранняя стадия процесса
образования звезд, возможно, представлена глобулами Бока
(рис. 95). Это компактные темные облака, настолько плотные,
что полностью поглощают свет от звезд фона. Думают, что в
глобулах Бока вот-вот начнется сжатие в протозвезды и, воз-
можно, глобулы находятся на заключительной стадии фрагмен-
тации. Наблюдения спектральных линий молекулярного газа
позволяют астрономам заглянуть в еще более плотные газовые
облака, где они также находят наблюдательное свидетельство то-
го, что в этих облаках происходит фрагментация на газовые
сгустки протозвездных размеров.
Как теория, так и наблюдения очевидным образом согла-
суются с представлением об образовании звезд в ходе непрерыв-
ной фрагментации межзвездных облаков. Сами облака являются
частями массивных комплексов облаков, простирающихся на
сотни световых лет и содержащих порядка 105 солнечных масс
газа. 5 нашей Галактике газ, выбрасываемый звездами в процес-
се эволюции, собирается в комплексы молекулярных облаков,
и там поддерживается приближенное равновесие между посту-
плением газа и его расходом за счет звездообразования.
Но это не всегда так. В ранние эпохи образование звезд про-
исходило намного более интенсивно. Некоторые спиральные га-
лактики даже сейчас гораздо более активны, чем наша собствен-
ная Галактика. Однако в эллиптических галактиках молодых
звезд не видно. Образование звезд, безусловно, происходило
в различных ситуациях настолько по-разному, что приводило
к столь непохожим системам, как спиральные и эллиптические
галактики. Теперь мы рассмотрим образование звезд в более ши-
роком контексте эволюции галактик, что поможет нам выяснить
происхождение морфологии галактик.
МОРФОЛОГИЯ ГАЛАКТИК
14
Когда в какой-то области идет образование звезд, то
это распространяется подобно болезни.
Вальтер Бааде
Изложенные нами теории сжатия протогалактических облаков,
фрагментации, образования скоплений и звезд вынуждают нас
перейти из эпохи образования галактик в эпоху их эволюции.
В главе 13 мы рассмотрели основные свойства звезд, которые
послужили ключом к пониманию динамических процессов, про-
текавших в ходе ранней эволюции галактик. Существуют раз-
личные гипотезы, объясняющие звездную эволюцию в спи-
ральных галактиках, близкие характеристики эллиптических
галактик и шаровых звездных скоплений и, наконец, наблюдае-
мое содержание газа в галактиках. Изучая динамику взаимодей-
ствий, которые должны были иметь место в ту эпоху, мы наде-
емся создать более ясную картину ранней эволюции галактик.
ВРАЩЕНИЕ И ВОЛНЫ ПЛОТНОСТИ
Спиральные галактики вращаются. Солнце совершает полный
оборот вокруг центра нашей Галактики за 250 млн. лет. Враще-
нием объясняются сильно уплощенные формы спиральных га-
лактик. Эллиптические галактики вращаются не столь быстро,
поэтому они более округлые. Происхождение вращения галактик
должно быть тесно связано с процессом их образования. Соглас-
но наиболее популярной сегодня точке зрения, вращение галак-
тик обусловлено общим гравитационным взаимодействием меж-
ду соседними протогалактиками. Поскольку галактики разбе-
гаются, сегодня они находятся гораздо дальше друг от друга,
чем когда-то находились протогалактики. Кроме того, протога-
лактики были существенно больше, поэтому в эпоху их образо-
вания они должны были почти соприкасаться друг с другом.
Подобно тому как гравитационное притяжение со стороны
Солнца и Луны ответственно за приливы на Земле, так и какая-
то протогалактика могла вызывать гигантские приливы в ее бли-
жайшей соседке. Приливы могли приводить к определенному
вращению протогалактики (рис. 96). Вращение галактик должно
было происходить в противоположных направлениях, так чтобы
суммарная величина вращательного момента не менялась в ре-
242
Рис. 96. Приливные взаимодействия и происхождение вращения галактик
Приливные взаимодействия между любыми двумя соседними галактиками при-
водят к возникновению огромных вращательных моментов, под действием ко-
торых каждая из галактик приобретает небольшое собственное вращение. Мо-
менты вращения галактик равны по величине и направлены в противоположные
стороны, поскольку угловой момент должен сохраняться. По мере того как про-
тогалактики сжимаются в галактики, их вращение ускоряется.
зультате их взаимодействия. Эта сохраняющаяся величина назы-
вается угловым моментом, он равен произведению массы тела,
его линейного размера и скорости его вращения. Закон сохране-
ния углового момента объясняет, почему спортсмен, прыгая
с вышки, так сильно скручивается, чтобы сделать как можно
больше оборотов при прыжке (рис. 97). Аналогично вследствие
сохранения углового момента падение вещества, образующего
газовый диск, к центру галактики заставляло диск вращаться все
быстрее, пока он не достиг наблюдаемой сегодня скорости вра-
щения. С началом процессов звездообразования падение газа
прекращается. Эта общепринятая гипотеза, по-видимому, объяс-
няет вращение спиральных галактик при условии, что газ на-
чинал сжиматься с достаточно большого радиуса порядка
3 • 105-106 световых лет.
Спиральные галактики примечательны своими спиральными
рукавами, в которых наряду с большим количеством газа и пыли
присутствуют вновь образующиеся звезды, конденсирующиеся из
газа и пыли. В спиральных рукавах молодые звезды встречаются
значительно чаще, чем в других областях галактик. Многие меж-
звездные облака в спиральных рукавах недавно сжались, образо-
вав звезды. Если облако сжимается внезапно, оно начинает кол-
лапсировать, что в конце концов приводит к фрагментации.
Внезапное сжатие, по всей видимости происходившее в спи-
ральных галактиках, проявляется в виде спиральных волн плот-
243
6
ности (рис. 98). Эти волны могут обусловливаться двумя воз-
можными явлениями. Пролет соседней галактики-спутницы вы-
зывает приливные силы, приводящие к волне плотности. Если,
кроме того, центральное сгущение галактики является не сфери-
ческим, а имеет форму перемычки, то при вращении перемычки
асимметрия приводит к распространению волн плотности нару-
жу. Как спиральные галактики с близкими спутниками, так и га-
лактики с центральными перемычками встречаются довольно
часто.
Как распространение звуковой волны представляет собой че-
редование сжатия и разрежения воздуха в каждой заданной точ-
ке, так и волна плотности аналогичным образом распространяет-
ся по системе, состоящей из звезд и газа. Из-за вращения
галактики эта волна распространяется по спирали. Возникнове-
ние спиральной волны плотности фактически обусловлено грави-
тационными силами, действующими со стороны звезд в диске,
поскольку именно в этих звездах заключена большая часть
массы галактики. Газ, находящийся в облаках, как и газ, рас-
сеянный повсюду в диске, при прохождении гребня волны испы-
тывает действие избыточной гравитационной силы. В результате
облака сближаются и сливаются; кроме того, они сжимаются
вследствие увеличения давления в межзвездном газе. Следова-
тельно, облака становятся гравитационно неустойчивыми, что
приводит к их гравитационному сжатию. Когда газ начинает
сжиматься, происходит непрерывная фрагментация по мере того,
как облако излучает энергию, приобретаемую газом в ходе сжа-
тия. Сжатие и фрагментация не прекращаются до тех пор, пока
фрагменты не становятся настолько непрозрачными, что потеря
энергии в виде излучения замедляется. На этой стадии образуют-
ся протозвезды.
Сжатие, вызванное спиральной волной плотности, служит
«спусковым крючком» для образования звезд вдоль спирали,
очерчиваемой движением гребня волны. Звезды и газ проходят
через гребень волны за несколько миллионов лет. После этого
никакого звездообразования не происходит. Поэтому гребень
волны связан с яркими молодыми звездами. На фотографиях
спиральных галактик он отчетливо выделяется на фоне остально-
го диска. Молодые звезды и связанный с ними газ, намного бо-
лее яркие, чем старое звездное население диска, тоже очерчивают
структуру рукавов. Эллиптические галактики, по-видимому, поте-
◄ Рис. 97. Сохранение углового момента
Чтобы сделать сальто во время прыжка, спортсмен, прыгающий с вышки, соби-
рается в комок (а). Сохранение углового момента позволяет прыгуну увеличить
скорость вращения и сделать максимально возможное число оборотов в возду-
хе. Подобное происходит и с сжимающимся газовым облаком, которое в ходе
сжатия вращается все быстрее (б).
245
Рис. 98. Спиральная волна плотности
Облака, движущиеся по круговым орбитам, входят в максимум спиральной вол-
ны плотности и сжимаются локально более высоким гравитационным полем,
которое дает толчок к началу процесса звездообразования. Вновь образовавшие-
ся звезды, соседние газовые области газа и пыли очерчивают картину спираль-
ной волны плотности. За пределами области наибольшего сжатия спустя дли-
тельное время после завершения последнего звездообразования обнаруживают-
ся более старые звезды.
ряли большую часть газа, находившегося вне их ядер. Поэтому
в них в настоящее время образования звезд не происходит.
Вращение галактик имеет еще одно любопытное следствие.
Мы видели, каким образом газовое облако, из которого образо-
валась галактика, приобретает вращение. Первоначально газ мог
быть слегка «намагничен». Происхождение этого слабого первич-
ного магнитного поля пока остается неясным; оно могло, напри-
мер, самопроизвольно возникнуть вследствие турбулентности.
Вращение газа могло бы способствовать значительному усиле-
246
Рис. 99. Происхождение галактического магнитного поля
Первичное «затравочное» магнитное поле может быть усилено в результате вра-
щения сжимающегося газового облака (а). Определенную роль может играть
также турбулентность, благодаря которой энергия вращения переходит в энер-
гию магнитного поля при образовании галактики (б).
нию «затравочного» магнитного поля (рис. 99). Подобным же
образом при вращении жидкого ядра Земли могло возникнуть
магнитное поле Земли. Можно представить, что магнитные си-
ловые линии ведут себя как некие эластичные нити: натяжение
вдоль нитей возрастает из-за движений облаков на их концах;
это происходит до тех пор, пока натяжение не станет сравнимым
с силами, создаваемыми вращающимся газовым облаком.
Магнитные силы могут играть решающую роль в образова-
нии звезд и планетных систем. Магнитное поле трудносжимаемо,
поэтому возникает «магнитное давление», стремящееся воспре-
пятствовать сжатию небольших облаков. Поскольку лишь боль-
шие облака (в 10000 солнечных масс или выше) могут сжимать-
ся, преодолевая среднее межзвездное магнитное давление, можно
сделать вывод, что звезды образовывались преимущественно
в звездных ассоциациях и группах.
Спиральные галактики содержат значительное количество
разреженного газа, который еще не сконденсировался в звезды.
Это не тот газ, который остался после образования галактики,
а газ, который вырабатывался непрерывно по мере того, как
звезды эволюционировали, выбрасывали вещество и умирали.
Некоторые звезды, после того как в них завершается фаза горе-
ния водорода и их ядра вступают в фазу сжатия, раздуваются
в виде газовых оболочек; такие звезды называются планетарны-
ми туманностями (рис. 100). На заключительных стадиях эволю-
ции массивной звезды взрыв сверхновой может привести к выб-
росу значительных количеств вещества. Более молодые звезды,
по-видимому, тоже теряют массу; и у звезд с большой свети-
247
Рис. 100. Планетарная туманность
Кольцевая туманность в созвездии Лиры относится к числу наиболее хорошо
изученных планетарных туманностей. Она включает в себя небольшую горячую
завершившую свою эволюцию звезду, которая ионизует окружающую газовую
оболочку, выброшенную ранее этой звездой.
мостью эти потери весьма велики. Вещество, выброшенное звез-
дами, вероятно, накапливается в плотных облаках, а также в бо-
лее разреженной межзвездной среде. Как мы видели, прохожде-
ние спиральной волны плотности может послужить началом
гравитационного сжатия в облаках. Взрыв сверхновой по сосед-
ству или ионизирующее излучение от массивной горячей звезды
тоже может послужить толчком к звездообразованию. (Вполне
вероятно, что сверхновые или ионизующее излучение будут обна-
ружены в спиральных рукавах галактик, поскольку обязательные
предвестники этих явлений-массивные, короткоживущие
звезды-только там и обнаружены.) Близлежащие облака сжи-
маются, образуя массивные звезды, которые в свою очередь ини-
циируют последующее сжатие. Таким образом, звездообразова-
ние может распространяться подобно эпидемии гриппа и почти
самопроизвольно и мгновенно (по сравнению со значительно
большим характерным временным масштабом динамики галак-
тики) вспыхивать, охватывая большие области.
248
ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ ГАЛАКТИКИ
И ШАРОВЫЕ СКОПЛЕНИЯ
В общем не было замечено, чтобы эллиптические галактики со-
держали молодые звезды. В этих системах газ обычно обнаружи-
вают лишь в самых внутренних ядрах, где он ионизован и разре-
жен. В спиральных галактиках, как установлено, газ распределен
по всему диску. По-видимому, ранняя утечка газа из коллапси-
рующего протогалактического газового облака привела к упло-
щенной форме галактики. Хотя образование первого поколения
звезд происходило, когда галактика еще имела округлую форму,
большая часть вещества, остававшегося газообразным и продол-
жавшего сжиматься в диск, вследствие вращения удерживалась
от падения в радиальном направлении. Звездное население диска
образовалось после того, как основная часть газа уже сжалась.
Однако в эллиптических галактиках после раннего звездо-
образования могло оставаться заметное количество газа. Мы го-
ворили, что эллиптические галактики образовывались в результа-
те слияния менее крупных, преимущественно звездных подси-
стем. При эффективном раннем образовании звезд большая
часть газа оказывается израсходованной, после чего остается
звездная система сравнительно округлой конфигурации; однако
какое-то количество газа все же должно сохраниться. Но еще бо-
лее значительное количество газа должно быть выброшено звез-
дами за десятки миллиардов лет звездной эволюции. Однако
эллиптические галактики содержат относительно мало газа, и
в них, безусловно, нет вновь образовавшихся звезд. Какова же
была судьба всего этого газа?
По-видимому, каким-то образом газ должен был «выметать-
ся» из эллиптических галактик. Чтобы понять, как это могло
происходить, рассмотрим сначала более простую систему - шаро-
вое звездное скопление. Это сферические системы, содержащие
порядка миллиона старых звезд, в которых не обнаруживают ни-
какого газа. Шаровые скопления представляют собой эллип-
тические галактики в миниатюре и являются не менее загадочны-
ми системами. Звезды в них непрерывно эволюционируют
и сбрасывают вещество (газ). Если бы этот газ накапливался на
протяжении миллиардов лет, то его можно было бы легко на-
блюдать. И снова возникает вопрос: что же произошло с этим
газом?
Самые старые звезды в нашей Галактике обнаружены в ша-
ровых звездных скоплениях, и процессы звездообразования дол-
жны были впервые вспыхнуть либо в этих скоплениях, либо еще
до их формирования. Число шаровых скоплений в нашей Галак-
тике, вероятно, близко к 200; некоторые из них движутся по
сильно вытянутым орбитам, уходя далеко от плоскости Галакти-
ки (рис. 101). Шаровые скопления наблюдались даже на расстоя-
ниях, в 10 раз превышающих расстояние от Солнца до га-
249
Рис. 101. Орбиты шаровых скоплений
Схематический вид нашей Галактики иллюстрирует, каким образом шаровые
скопления (точки) образуют гало вокруг плоского диска Галактики. Гало имеет
диаметр около 100000 световых лет. Скопления имеют вытянутые
(эксцентрические) орбиты. Кроме шаровых скоплений, гало включает десятки
миллиардов звезд низкой светимости. По сравнению со звездами диска звезды
гало имеют дефицит тяжелых элементов; это позволяет сделать вывод, что они
старше большинства звезд диска.
лактического центра. Возможно, эти скопления более пра-
вильно следует считать межгалактическими шаровыми скоп-
лениями.
Шаровые скопления обладают еще одним замечательным
свойством-характерным распределением тяжелых элементов по
скоплениям. Чем дальше находится в среднем скопление от цен-
тра Галактики, тем, как следует из прямых спектроскопических
наблюдений, меньше в них содержится тяжелых элементов. Эта
зависимость справедлива для скоплений, существенно менее бо-
гатых тяжелыми элементами, чем Солнце,-вплоть до скоплений,
содержание тяжелых элементов в которых составляет всего лишь
0,1% от их содержания в Солнце. Это, безусловно, можно рас-
250
сматривать как свидетельство того, что более далекие шаровые
скопления должны были образоваться первыми. Исходя из этой
гипотезы, можно объяснить, почему содержание тяжелых элемен-
тов в шаровых скоплениях растет к центру Галактики.
По мере того как эволюционировали и становились сверх-
новыми самые массивные звезды в шаровых скоплениях, газ, вы-
брасываемый из звезд, систематически все более обогащался тя-
желыми элементами. Такой обогащенный газ не мог удерживать-
ся в шаровых скоплениях, потому что эти системы обладают
слишком слабым тяготением. Поэтому обогащенный газ поки-
дал скопление, смешивался с остальным межзвездным веще-
ством и постепенно падал по спирали в центральные области Га-
лактики. Массивные облака газа, который обогащался за счет
добавления некоторого количества межзвездного вещества, рано
или поздно коллапсировали, образуя новые шаровые скопления
с более высоким содержанием тяжелых элементов.
Аналогичную картину наблюдают и в эллиптических галакти-
ках: содержание тяжелых элементов в них непрерывно возра-
стает к центру галактики. Предполагается, что даже самые мо-
лодые звезды, наблюдаемые в этих системах, старше Солнца.
Таким образом, постепенное обогащение газа тяжелыми элемен-
тами должно было происходить на очень ранней стадии эволю-
ции эллиптических галактик. Весь газ, оставшийся после звездо-
образования, по-видимому, собирался в центре галактики, где
могло образоваться плотное массивное ядро, состоящее из газа.
Затем газ мог конденсироваться в звезды, и часть его, возможно,
выбрасывалась из галактики при взрывах сверхновых, которые
сопровождали гибель массивных звезд, образовавшихся сравни-
тельно незадолго до этого.
Следовательно, газ непрерывно выбрасывается как из эллип-
тических галактик, так и из шаровых скоплений. Для шаровых
скоплений, которые по сравнению с нашей Галактикой являются
довольно слабосвязанными системами, объяснить это довольно
легко. Можно без труда представить процесс, в результате кото-
рого газ полностью уходит из скоплений. Шаровые скопления
встречаются в основном в галактическом гало, но, двигаясь по
вытянутым орбитам, они примерно каждые 100 млн. лет прохо-
дят через галактический диск. Это прохождение может сопрово-
ждаться бурными процессами по меньшей мере по двум при-
чинам. На пути скопления может оказаться облако из диффузно-
го межзвездного вещества, и скопление, безусловно, взаимодей-
ствует с ним. В результате возникает динамическое давление,
которое стремится вымести газ из шарового скопления. Кроме
того, пересечение галактического диска вызывает сильные при-
ливы, воздействующие на газ в шаровых скоплениях. Газ сильно
сжимается и нагревается, вследствие чего происходит его испаре-
ние из скопления. Таким образом, скопления могли периодически
освобождаться от газа.
251
Рис. 102. «Обдирание» газа динамическим давлением
Высокая скорость (тысячи километров в секунду) галактики в богатом скопле-
нии приводит к огромному динамическому давлению межгалактического газа
на любой газ внутри галактики. Динамическое давление значительно превышает
обычное давление межгалактического газа, поэтому оно может выбросить газ из
галактики. Этот процесс позволяет объяснить, почему эллиптические галактики
свободны от газа, а спиральные галактики не наблюдаются в центральных обла-
стях богатых скоплений-межзвездный газ, который создают молодые звезды
(этим в основном и объясняется происхождение спиральных рукавов), был пол-
ностью выметен. Если из спиральной галактики убрать весь газ и все молодые
звезды, то она будет выглядеть, как галактика класса SO, и действительно,
много таких галактик наблюдается в скоплениях. Согласно альтернативной точ-
ке зрения, галактики класса SO приобрели свои характерные свойства в процессе
образования, а динамическое давление только способствовало тому, что они
остаются свободными от газа и в последующие времена.
Если процессы выметания и испарения не в состоянии пол-
ностью объяснить крайне малое количество газа, наблюдаемое
в скоплениях, то это может сделать третий процесс. Шаровые
скопления содержат много ярких голубых звезд. Эти горячие
звезды полностью исчерпали водород в своих ядрах и находятся
на следующей стадии звездной эволюции, когда основным
ядерным горючим служит гелий. Голубые звезды ионизуют и на-
гревают весь имеющийся в скоплении газ. Если температура на-
столько высока, что атомы газа ионизованы, то они будут дви-
гаться так быстро, что слабое собственное гравитационное
притяжение скопления не сможет их удержать; в результате газ
выбрасывается наружу в виде непрерывного ветра. Подобный
процесс происходит во внешних оболочках Солнца-газ
непрерывно выбрасывается из солнечной короны в виде солнеч-
ного ветра.
Что касается эллиптических галактик, то наши гипотезы здесь
не столь ясны и определенны. В принципе ветер возможен и
в этом случае, но из-за большой массы таких галактик он дол-
252
жен быть чрезвычайно сильным. Если газ ионизован излучением
звезд, то это не значит, что он достаточно горячий, чтобы поки-
нуть эллиптическую галактику. Мы уже высказывали предполо-
жение, что достаточно мощным источником энергии для галак-
тического ветра Могли бы стать взрывы сверхновых. Другая
возможность связана с межгалактическим газом. Эллиптические
галактики обнаруживаются главным образом в скоплениях га-
лактик, где имеется также и межгалактический газ. Эллиптичес-
кие галактики с высокими скоростями движутся по своим орби-
там сквозь межгалактический газ в скоплении галактик. Одно из
следствий этого быстрого движения (типичная скорость его по-
рядка 1000 км/с) состоит в том, что межгалактический газ оказы-
вает огромное динамическое (лобовое) давление на весь газ в га-
лактике. Галактический газ непрерывно бомбардируется быстро
движущимися ионами межгалактического газа, в результате под-
держивается некоторое стационарное давление. Динамическое
давление не оказывает воздействия на звезды, но оно может вы-
метать газ из галактики (рис. 102).
Один из тестов для проверки этой гипотезы заключается
в исследовании пространственного распределения галактик раз-
личных типов внутри богатых скоплений. И в самом деле, на-
блюдения указывают на отсутствие спиральных галактик в цен-
тральных областях больших скоплений, где наиболее высока
плотность межгалактического газа (его обнаруживают по рентге-
новскому излучению, см. гл. 11). В то же время было бы неожи-
данным, если бы мы обнаружили какую-то эллиптическую галак-
тику (совершенно свободную от газа), расположенную изолиро-
ванно вдали от скоплений или каких-то других источников
межгалактического газа. Правда, было замечено несколько отно-
сительно изолированных в пространстве эллиптических галактик.
Однако мы еще не можем сказать, содержат ли эти системы су-
щественно больше газа, чем сравнимые по размерам галактики
внутри богатых скоплений.
ЦВЕТА ГАЛАКТИК
Галактики демонстрируют широкий диапазон цветов и светимос-
тей. Эллиптические галактики-красные, а спиральные-голубые.
Различие в цвете этих галактик обусловлено различными популя-
циями присутствующих в них звезд. В спиральных рукавах спи-
ральных галактик происходит активное звездообразование,
и своим голубым цветом они обязаны горячим, относительно
массивным и ярким звездам. Массивные звезды являются го-
лубыми, поскольку давление излучения, направленное от центра
и противодействующее силам гравитации, в них более сильное,
нежели в менее массивных звездах. Следовательно, они очень яр-
кие и горячие. В эллиптических галактиках, как правило, не обна-
руживается никаких следов протекающего в настоящее время
253
звездообразования, они содержат преимущественно старые хо-
лодные красные звезды.
Это различие можно понять в свете предшествовавшего
обсуждения: поскольку эллиптические галактики содержат мало
газа, в них не могут образовываться звезды. Однако наблюдают-
ся любопытные вариации цвета самих эллиптических галактик.
Более яркие эллиптические галактики выглядят в целом более
красными. Кроме того, центральные области эллиптических га-
лактик (также и спиральных) кажутся краснее, чем внешние
области. Такие различия в цвете можно объяснять различным со-
держанием (относительно водорода) металлов.
Рассмотрим звезду с массой, равной 1 солнечной массе, в ко-
торой содержание тяжелых элементов составляет всего лишь 0,1
от их содержания в Солнце. Бедная металлом звезда должна
иметь более прозрачную атмосферу, чем Солнце, так как сво-
бодные электроны из ионизованных атомов металлов существен-
но увеличивают непрозрачность атмосферы. Поэтому излучение
из такой звезды может испускаться более свободно, и звезда бу-
дет выглядеть ярче, чем Солнце. Следовательно, при той же мас-
се и радиусе, что и у Солнца, она должна быть более горячей
и более голубой; температура ее наружных оболочек должна
быть выше, чем у Солнца. Эффективная температура Солнца со-
ставляет 5770 К (такую температуру имел бы идеальный равно-
весный излучатель с радиусом и светимостью, как у Солнца).
Звезда, бедная металлами, должна иметь эффективную темпера-
туру на несколько сотен градусов больше.
Чтобы объяснить вариации цвета эллиптических галактик, не-
обходимо принять, что содержание тяжелых элементов в них от-
личается не менее, чем на порядок величины. Причина столь су-
щественного различия еще не получила достаточно удовлетвори-
тельного объяснения. Поскольку данный эффект наблюдается
главным образом в скоплениях галактик, где наиболее часто об-
наруживают эллиптические галактики, то возможно, что столк-
новения галактик вызывают процессы звездообразования на ран-
них стадиях эволюции скопления, когда все галактики еще
в значительной мере состоят из газа. Поскольку наиболее мас-
сивные галактики могли испытать наибольшее число столкнове-
ний, представляется вполне вероятным, что и звездообразование
в них должно было происходить наиболее интенсивно, и, следо-
вательно, они должны быть в наибольшей степени обогащены
тяжелыми элементами. В ходе столкновения между двумя галак-
тиками весь диффузный межзвездный газ должен был нагревать-
ся и выбрасываться в межгалактическую среду. Плотные меж-
звездные облака приобретали бы в таком случае лишь неболь-
шое результирующее ускорение; однако они, по-видимому,
испытывали сжатие в ударной волне, что приводило к их коллап-
су. В каждой из сталкивающихся галактик облака должны были
фрагментировать с образованием звезд. Более массивные из
254
вновь образовавшихся звезд, вероятно, затем быстро эволюцио-
нировали и выбрасывали обогащенное вещество в виде звездных
ветров, оболочек планетарных туманностей и остатков сверх-
новых. Менее массивные галактики в меньшей степени способны
удерживать обогащенное вещество, которое возникало в процес-
се эволюции звезд и при взрывах сверхновых, потому что менее
массивные галактики имеют сравнительно слабые гравита-
ционные поля. Следовательно, менее массивные (и в конечном
счете менее яркие) галактики должны были в меньшей степени
обогащаться тяжелыми элементами, чем массивные (и яркие) га-
лактики. Все эти эффекты в совокупности, по-видимому, объяс-
няют явную корреляцию между светимостью и содержанием ме-
таллов, следующую из наблюдений эллиптических галактик.
МОРФОЛОГИЯ
И ОБРАЗОВАНИЕ ГАЛАКТИК
Предыдущие рассуждения позволяют понять, каким образом
могли возникнуть морфологические различия между спиральны-
ми и эллиптическими галактиками. Эти различия зависят от не-
коего параметра, который равен отношению характерного
времени образования звезды к характерному времени сжатия
протогалактики. Если процесс образования звезд происходит
медленнее, чем общее сжатие, то галактика остается газовой. Газ
излучает, теряет энергию и может приобретать уплощенную кон-
фигурацию; вращение удерживает газ от падения в радиальном
направлении. В конце концов образование звезд начинает проис-
ходить в сильно уплощенной, дискообразной системе-это то,
что впоследствии станет спиральной галактикой. Однако, если
основные процессы звездообразования завершились прежде, чем
форма галактики в ходе сжатия заметно приблизилась к конеч-
ной конфигурации, существенного уплощения не происходит, по-
тому что система звезд не может столь же легко, как газ, терять
энергию - галактика стремится оставаться сфероидальной, если
она была таковой с самого начала. Весьма вероятно, что именно
большие сфероидальные системы возникали в результате слия-
ний более мелких звездных подсистем.
Спиральные галактики вращаются относительно быстро, тог-
да как вращение эллиптических галактик весьма медленно. Мы
уже отмечали, что ускорение вращения можно объяснить паде-
нием газа с больших расстояний вдоль радиуса. Вообще, враще-
ние обусловлено приливными эффектами, возникающими, как
правило, при взаимодействии самых ближайших соседних галак-
тик сравнимых размеров. Картина спиралей очерчивает область
недавнего звездообразования, толчком к которому послужило
прохождение волны плотности через богатый газом диск. В эл-
липтических галактиках почти нет газа, поэтому в них не видно
255
спиральных структур; похоже, что весь газ, который накапли-
вается из отходов продолжающейся звездной эволюции, не-
прерывно полностью выметается из эллиптических галактик. Ме-
ханизм выметания, вероятно, связан либо с ветром (который
создается взрывами сверхновых, происходящих в центральном
уплотнении в эллиптических галактиках), либо с динамическим
давлением со стороны окружающей газовой среды, через кото-
рую движется система, если она находится в богатом скоплении.
Столкновения, особенно с какой-нибудь из многочисленных кар-
ликовых галактик, могут «подготавливать почву» для процесса
выметания, с самого начала способствуя разрушению и устране-
нию межзвездной среды. Газ, выброшенный в ходе процессов
раннего звездообразования, обретает покой в громадных межга-
лактических пространствах внутри скоплений.
Наши представления об эволюции спиральных и эллиптичес-
ких галактик строятся на единой основе-происхождении тя-
желых элементов из «отходов» процессов образования ранних
поколений звезд. Тяжелые элементы играют важную роль
в образовании всех наблюдаемых в настоящее время звезд во
всех галактиках, и мы обратимся теперь к более детальному рас-
смотрению вопроса о происхождении тяжелых элементов.
15
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
ТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
По нашему мнению, содержание практически всех изо-
топов всех элементов, начиная от водорода и кончая
ураном, можно объяснить единым способом-синтезом
в звездах и сверхновых.
Е. М. Бэрбидж, Дж. Р. Бэрбидж,
В. А. Фаулер, Ф. Хойл
Мы-дети звезд. Десять миллиардов лет тому назад каждый
атом наших тел находился в центре одной из звезд. Первые
звезды, осветившие своим светом сжимающиеся галактики, со-
стояли главным образом из водорода, и 10% их атомов были
атомами гелия, образовавшегося в первые моменты Большого
взрыва. Но в этих звездах не было ни углерода, ни кислорода, ни
железа-ни одного из тех элементов, которые потребовались для
образования Земли и поддержания жизни на ней. Неспособность
ядра гелия соединяться С протоном или с другим ядром гелия
и создавать тем самым более тяжелые стабильные ядра явилась
камнем преткновения для синтеза более тяжелых элементов
в Большом взрыве.
Значительная доля тяжелых элементов была создана в первых
звездах. Сильнейшим аргументом в пользу подобного утвержде-
ния послужило открытие того, что межгалактическая среда во
многих больших скоплениях практически столь же богата желе-
зом, как и Солнце. Газ между скоплениями должен был обога-
щаться в результате выбросов тяжелых элементов из звезд в ско-
плениях галактик, и этот газ мог возникнуть лишь в период,
когда галактики были очень молодыми; железа во Вселенной
слишком много, чтобы его можно было объяснить современны-
ми темпами звездной эволюции и потери массы.
При более внимательном взгляде на отдельные галактики
(включая нашу собственную) мы обнаруживаем последователь-
ную тенденцию-содержание тяжелых элементов убывает с уда-
лением от центральных областей галактики. Это распределение
говорит о том, что обогащение тяжелыми элементами должно
было происходить постепенно. Сначала тяжелые элементы про-
изводились во внешних областях галактики, обогащенный газ па-
дал к центру и расходовался при образовании последующих
звезд. Последовательные циклы звездообразования повышали
степень обогащенности газа тяжелыми элементами, и самая вы-
сокая обогащенность имела место там, где скапливалась боль-
9-896
257
шая часть газа,-в центральных областях эллиптических галактик
и в центральных плоскостях сильно уплощенных спиральных
галактик.
Производство тяжелых элементов, таким образом, является
основным связующим звеном в цепи эволюционных событий,
приведших к образованию Солнца. Мы должны изучить это зве-
но более тщательно, чтобы понять, сколь велика его роль и в то
же время сколь оно непрочно-отсутствие тяжелых элементов оз-
начало бы невозможность существования жизни. Как мы увидим
в этой главе, производство тяжелых элементов зависит от повто-
ряющихся время от времени процессов образования и эволюции
массивных звезд и от их саморазрушения при бурных взрывах
сверхновых.
ЯДЕРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД
Внутри звезд происходит синтез ядер водорода с образованием
гелия. Эта ядерная реакция (в действительности целая цепочка
реакций) сопровождается высвобождением энергии, поскольку
ядро гелия весит чуть меньше (на 0,7%), чем четыре протона, со-
единяющихся, чтобы образовать его. Этот дефект масс приводит
к высвобождению энергии главным образом в виде интенсивного
гамма-излучения и нейтрино. Излучение не может вырваться из
центра звезды, и центр остается горячим, при этом создается
огромная разность давлений, или градиент давления, между го-
рячими внутренними и холодными внешними слоями звезды. Да-
вление создает направленную наружу силу, противодействую-
щую гравитации звезды до тех пор, пока в ядре звезды
присутствует количество водорода, достаточное для образования
гелия.
Когда же запас водорода подходит к концу, и ядро состоит
в основном из гелия, ядерные реакции синтеза водорода в гелий
становятся намного более редкими. Звезда вырабатывает меньше
энергии и тепла, давление в ее центре падает, и непрочное равно-
весие между давлением и гравитационными силами в конце кон-
цов нарушается. Гравитация становится преобладающей, и звез-
да начинает коллапсировать. Коллапс приводит к нагреву
центрального ядра, поскольку сжатие всегда приводит к нагреву
газа.
Наконец, ядро звезды становится настолько горячим, что за-
горается гелий. Поскольку ядро гелия обладает большим заря-
дом, чем ядро водорода, для того, чтобы гелий мог вступить
в реакции ядерного синтеза с образованием более тяжелых эле-
ментов, требуются более высокие температуры, чем для сгорания
водорода. Два ядра гелия отталкиваются друг от друга сильнее,
чем два протона. Для преодоления этого поля сил отталкивания,
кулоновского барьера, необходимы более высокие скорости. Ядра
гелия начинают двигаться быстрее и приобретают большую
энергию, когда температура в звезде повышается. Когда же ге-
258
лий начинает сгорать, происходит синтез углерода. В этом про-
цессе снова высвобождается некоторое количество энергии, пото-
му что масса трех ядер гелия чуть больше, чем масса ядра
углерода, которое из них синтезируется. Сгорание гелия произво-
дит несколько меньше энергии, чем сгорание водорода, но этой
энергии достаточно, чтобы поддерживать звезду в гравитацион-
ном равновесии в течение фазы сгорания гелия.
Когда температура ядра звезды резко повышается, происхо-
дит весьма любопытное явление: темп излучения сильно возра-
стает и внешняя оболочка расширяется в 100 раз или более. Это
разбухание звездной атмосферы приводит к охлаждению внеш-
них слоев звезды. Испускаемое излучение становится очень
красным. Теперь звезда в ходе эволюции превращается в яркий
красный гигант.
В достаточно массивных звездах за фазой горения гелия сле-
дует фаза горения углерода, которое приводит к образованию
кислорода и других элементов. Когда исчерпается и углеродное
ядро, происходит сгорание более тяжелых элементов, до тех пор
пока ядро звезды не оказывается состоящим в основном из желе-
за. Железо имеет наиболее сильно связанное (устойчивое) ядро
из всех атомных ядер. Если бы из железа синтезировались более
тяжелые элементы, то масса возникающего при этом ядра была
бы больше массы исходных ядер. Поэтому для синтеза элементов
тяжелее железа необходим подвод энергии. Никакой дополни-
тельной энергии за счет сгорания железа извлечь нельзя. Реакция
синтеза приводит к выделению энергии при синтезе элементов
легче железа, а для элементов тяжелее железа энергия произво-
дится только в реакции деления. (Реакция деления лежит в осно-
ве действия атомной бомбы-в отличие от водородной бомбы,
основанной на реакции синтеза.) Для образования элементов тя-
желее железа требуется намного более сильный источник энер-
гии, чем это достижимо при постепенной эволюции звездного
ядра. Сразу после того, как в звезде образовалось железное ядро,
гибель звезды становится неизбежной. Когда запасы ядерной
энергии звезды полностью исчерпались и уже не могут обеспе-
чить нужное тепло и давление, должен произойти гравита-
ционный коллапс звезды.
БЕЛЫЕ КАРЛИКИ
Звезда продолжает сжиматься до тех пор, пока плотность ее не
достигает таких гигантских значений, что вещество становится
вырожденным веществом. Из фундаментального принципа кван-
товой теории -соотношения неопределенностей Гейзенберга-сле-
дует, что положения (координаты) отдельных частиц не могут
иметь вполне определенных значений. Можно определить лишь
область пространства, которую занимает отдельная частица. Го-
ворить о движении и, следовательно, о давлении, создаваемом
9*
259
1011
1О10
ю9
108
107
106
105
Черные Коринн.
Планеты карлики карлики
Белый карлик
Планетарная туманность
Красный гигант
Главная
после-
цоввт-ч
.'□С-1-
(классМ)
Звезды типа
Т - Тельца
, . Белый карлик
-Главная
.после'-
но^ь5!!(1 Сверхновая
fmaccGj
Нейтронная
Главная- звезда
3”Х™ 5® с-*—
Г*ави. Сверхновая
послед. 1
!.. С1 Знрлд., 
инфракрасным
ко коном
0,001	0,01	0,1	1	10	100
Начальная масса молекулярного облака, массы Солнца
Рис. 103. Судьбы звезд с различными начальными массами
Белые карлики обладают массами меньше, чем примерно 1,4 солнечных масс.
Более массивные звезды также могут превращаться в белые карлики, поскольку
существенное количество своей массы они могут терять в ходе эволюции. В на-
стоящее время считают, что звезды с массами меньше 6 солнечных масс стано-
вятся белыми карликами, а более массивные звезды взрываются в виде сверх-
новых и оставляют после себя ядра, представляющие собой нейтронные звезды.
Очень массивные звезды (около 30—50 солнечных масс) могут образовывать
черные дыры. Протозвезды с массами меньше 0,08 солнечных масс никогда не
разогреваются настолько, чтобы в их ядрах могли начаться ядерные реакции.
Эти объекты называются коричневыми карликами (в конечном счете-черными
карликами), потому что они испускают слабое инфракрасное излучение. В эту
категорию можно отнести планету Юпитер: он излучает несколько больше
энергии, чем получает от Солнца.
элементарными частицами, можно лишь в рамках грубых анало-
гий. Чтобы дать более точное определение, необходимо рассмо-
треть принцип Паули (принцип запрета), существующий в кван-
товой механике, который ограничивает число электронов, нахо-
дящихся на одном энергетическом уровне в атоме. В вырожден-
ном состоянии вещества возникает давление, которое по своей
природе является чисто квантовомеханическим. Это давление не
зависит от температуры, как обычное давление в газе, обусло-
вленное беспорядочными движениями атомов. В нормальном со-
стоянии вещества давление, связанное с вырождением, пренебре-
жимо мало по сравнению с обычным давлением. Однако при
сжатии вещества до огромных плотностей давление, связанное
с вырождением, становится все более важным. Первыми из ча-
260
стиц вырождение испытывают электроны, которые при этом со-
здают дополнительное давление, направленное наружу, и тем
самым оказывают сопротивление дальнейшему сжатию. Когда
ядро звезды достигает состояния, в котором оно поддерживается
давлением вырожденных электронов, звезда становится белым
карликом. Чтобы превратиться в белого карлика, звезда с массой
в 1 солнечную массу должна уменьшиться в размерах в 1000 раз
(рис. 103). Ядра таких звезд состоят из углерода и кислорода или
даже-если масса ядра меньше 0,5 солнечных масс-из гелия. Из-
за огромного сжатия карликовая звезда изначально является
очень горячей и поэтому имеет белый цвет. Затем она постепен-
но остывает и через несколько миллиардов лет перестает быть
видимой. Максимальная масса белого карлика составляет около
1,4 солнечных масс, хотя в результате быстрого вращения эта
масса может оказаться несколько больше [19]. В ходе своей эво-
люции звезды сбрасывают значительное количество массы; счи-
тается, что звезды, первоначальные массы которых достигают по
крайней мере 6 солнечных масс, должны эволюционировать
в белые карлики.
НЕЙТРОННЫЕ ЗВЕЗДЫ
Более массивным звездам уготована куда более катастрофиче-
ская судьба. Начальная масса такой звезды достаточно велика,
и это приводит к большим гравитационным силам и высоким
температурам в центре звезды. В результате образуется железное
ядро с массой чуть больше 1,4 масс Солнца. Когда же ядерное
топливо исчерпается, гравитационная сила оказывается слишком
значительной, чтобы ее могло уравновесить давление выро-
жденных электронов. Поэтому звезда бурно коллапсирует до тех
пор, пока при намного больших плотностях электроны не соеди-
нятся с протонами, образуя нейтроны. Эти нейтроны в свою оче-
редь также становятся вырожденными. Если давление выро-
жденных нейтронов способно поддерживать звезду и остановить
коллапс, то образуется нейтронная звезда. Типичный размер
нейтронной звезды-всего лишь несколько километров в попе-
речнике, и тем не менее такая звезда имеет большую массу, чем
все Солнце.
Нейтронная звезда образуется из ядра коллапсирующей
звезды, которая была весьма массивной. Когда звезда коллапси-
рует, происходит резкое выделение энергии в виде рентгеновско-
го и гамма-излучений, а также нейтрино; за счет этой энергии
внешняя оболочка звезды, уже сильно обогащенная тяжелыми
элементами в процессе ядерного синтеза, выбрасывается наружу
в ходе бурного взрыва сверхновой. Таким путем в межзвездный
газ попадают элементы тяжелее гелия.
Нейтронная звезда по существу представляет собой гигант-
ское ядро,г Протоны и электроны сдавлены друг с другом здесь
261
настолько сильно, что соединяются, образуя нейтроны, располо-
женные практически вплотную друг к другу. Плотность внутри
нейтронной звезды почти такая же, как в атомном ядре.
Нейтронные звезды были обнаружены из наблюдений радио-,
рентгеновского и даже гамма-излучения. Радиоастрономы на-
блюдают пульсары, характерная особенность которых заключает-
ся в том, что они испускают удивительно регулярные радиосиг-
налы. Они следуют с интервалом в 1 с или около этого
с относительной точностью выше 10-12. Пульсар в Крабовид-
ной туманности обладает самым коротким из всех известных пе-
риодов, равным х/зо с (рис. 104). По темпу замедления этого
пульсара было определено, что пульсар возник примерно 900 лет
назад. Пульсар в Крабовидной туманности связывают со сверх-
новой 1054 г., которая была зафиксирована тогда китайскими
астрономами и оставила после себя Крабовидную туманность.
Современные астрономы обнаружили, что период излучения это-
го пульсара один и тот же (т. е. он излучает в фазе) на всех дли-
нах волн-в радио-, рентгеновском и гамма-диапазонах.
Предполагают, что пульсар-это быстровращающаяся нейт-
ронная звезда, образовавшаяся во время взрыва сверхновой.
Только такие компактные звезды, как нейтронная звезда, могут
вращаться столь быстро. Регулярный характер излучения пульса-
262
Рис. 104. Пульсар в Крабовидной туманности
Внутри газового остатка (а) сверхновой, которую китайские астрономы наблю-
дали в 1054 г., расположен пульсар, имеющий самый короткий из известных пе-
риод. Пульсар (указан стрелкой) испускает импульсы излучения с частотой 30
раз в секунду, как это отражено на стробоскопических телевизионных изображе-
ниях, снятых в максимуме и Минимуме блеска пульсара (б). Волокна туманности
выглядят на этом снимке белыми; аморфные серые области создаются синхро-
тронным излучением, которое испускают релятивистские электроны, движущие-
ся в магнитном поле туманности.
Рис. 105. Геркулес Х-1
Рентгеновский источник Геркулес Х-1 представляет собой нейтронную звезду
с массой около 1,3 солнечных масс, которая обращается вокруг более массивной
звезды-компаньона, HZ Геркулеса, до сих пор обладающей очень высокой све-
тимостью. Когда-то HZ Геркулеса, возможно, была несколько меньше и не дол-
жна была испытывать огромной разрушающей силы. Однако по мере ее эволю-
ции ядро разогревалось и внешняя оболочка разбухала. В некоторый момент
соседство нейтронной звезды привело к тому, что внешние области HZ Геркуле-
са расширились, стали вытянутыми и вещество постепенно увлекалось к ней-
тронной звезде приливными гравитационными силами. Вещество, потерянное
HZ Геркулесом, движется по спирали к Геркулесу Х-1, образуя горячий диск, ко-
торый испускает сильное рентгеновское излучение.
ра можно объяснить направленностью излучения нейтронной
звезды-подобно лучу гигантского прожектора излучение описы-
вает круг при каждом обороте звезды. Подобная направлен-
ность, вероятно, обусловлена тем, что излучающие в интенсив-
ном магнитном поле релятивистские частицы попадают как бы
в воронку. Из-за направленности излучения (чтобы принять луч,
мы должны оказаться на его пути) пульсары не удается обнару-
живать всякий раз, когда нам заведомо известно, что произошел
взрыв сверхновой.
Нейтронные звезды наблюдались при еще более экзотических
условиях. Например, многие звезды имеют «компаньонов^» ког-
да один из членов такой пары звезд становится сверхновой
и оставляет после себя нейтронную звезду, эволюция звезды-
компаньона, как правило, сильно ускоряется. Звезда-компаньон
может сбросить значительное количество вещества из своей ат-
мосферы, которое окружает нейтронную звезду плотным обла-
264
ком газа. Это приводит к подавлению радиоизлучения, прини-
маемого от пульсара, но создает интенсивное рентгеновское
излучение при аккреции и нагреве газа в сильном гравитацион-
ном поле вокруг нейтронной звезды. Наиболее хорошо изучен
двойной источник рентгеновского излучения Геркулес Х-1 в со-
звездии Геркулеса (рис. 105). В этом случае излучающая в рентге-
новском диапазоне звезда в оптическом диапазоне не наблюдает-
ся. Компаньоном звезды-источника рентгеновского излучения
является звезда HZ Геркулес, давно известная как переменная
звезда. Геркулес Х-1 испускает импульсы рентгеновского излуче-
ния каждые 1,24 с. Источник рентгеновского излучения движется
по орбите, совершая оборот вокруг HZ Геркулеса за 1,7 сут,
и точность излучения рентгеновского пульсара такова, что позво-
ляет наблюдать небольшое ускорение и замедление темпа прихо-
да импульсов, обусловленное доплеровским смещением, которое
связано с периодическим орбитальным движением рентгеновско-
го источника. Поскольку масса оптического компаньона известна
из исследования его спектра, можно рассчитать массу звезды, из-
лучающей в рентгеновском диапазоне. Масса и размер Геркулеса
Х-1 говорят о том, что это нейтронная звезда.
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ
Многие звезды теряют значительную массу на заключительных
стадиях ядерной эволюции. Одним из проявлений этого является
фаза планетарной туманности. Планетарная туманность состоит
из центральной звезды, в которой происходит горение гелия,
и окружающей ее светящейся оболочки, состоящей из недавно
выброшенного газа. Если масса звезды первоначально была
меньше 6 масс Солнца, то со временем она становится белым
карликом, состоящим главным образом из углерода, а все веще-
ство, богатое водородом, выбрасывается наружу. Звезды с масса-
ми 6-8 солнечных масс могут испытать заключительное взрыв-
ное сжатие и не оставить после себя никакого ядра. Поскольку
давление вырожденного вещества не растет с увеличением темпе-
ратуры, то внутрь поступает все больше энергии, пока темпера-
тура ядра не достигнет такой величины, что возникнут условия
для катастрофической детонации углерода. При массе звезды,
равной 8-50 солнечным массам, гравитационные силы таковы,
что ядерная эволюция ядра звезды продолжается до тех пор, по-
ка не образуется железное ядро с массой около 1,5 солнечных
масс. После того как запасы ядерной энергии звезды будут ис-
черпаны, происходит коллапс ядра и образование нейтронной
звезды, а внешняя оболочка выбрасывается наружу при после-
дующем взрыве сверхновой.
Предполагается, что звезды с массой более 50 масс Солнца
коллапсируют в черные дыры. Точный предел массы, выше кото-
рого образование черной дыры неизбежно, не известен. Однако
265
Рис. 106. Лебедь Х-1
Самый большой темный объект в центре этого фотографического негатива-
звезда HDE 226868, отождествленная с рентгеновским источником Лебедь Х-1.
На фотографии отмечено положение источника радиоизлучения (крестик), кото-
рое совпадает с положением рентгеновского источника. Положение радиоисточ-
ника было определено с высокой точностью, а вариации в интенсивности ра-
диоизлучения совпадают с изменениями интенсивности рентгеновского излуче-
ния, что позволяет астрономам отождествить объект HDE 226868 с Лебедем
Х-1. Сам по себе рентгеновский источник является компактным объектом, воз-
можно, черной дырой, которая обращается вокруг этой звезды и притягивает ве-
щество из ее внешних слоев.
совершенно очевидно, что в звездах с достаточно большой мас-
сой даже предельно возможное давление вырожденных нейтро-
нов не в состоянии сдержать коллапс. Гравитационное поле ста-
новится настолько сильным, что свет не может преодолеть его
и покинуть звезду. Это напоминает «улыбку чеширского кота»1:
когда звезда коллапсирует, образуя черную дыру, от нее остается
только гравитационная сила. Как и в случае образования нейт-
ронной звезды, резкое высвобождение ядерной и гравитационной
энергии, связанное с заключительным коллапсом, может приво-
дить к мощному выбросу внешней оболочки звезды.
Одним из наиболее волнующих исследований в современной
астрономии была попытка обнаружить черную дыру. Хотя свет
не может уходить из черной дыры, возможно, что черная дыра
входит в тесную, двойную систему и захватывает вещество, вы-
брасываемое звездой-компаньоном. Двигаясь по спирали к чер-
ной дыре и образуя диск, вещество разогревается и, прежде чем
окончательно исчезнуть в черной дыре, испускает интенсивное
рентгеновское излучение. Большинство астрономов, ведущих на-
блюдение в рентгеновском диапазоне, утверждают, что один за-
мечательный источник рентгеновского излучения Лебедь Х-1, по-
видимому, является черной дырой (рис. 106). Лебедь Х-1
выделяют в этом смысле по той причине, что этот источник
рентгеновского излучения, вероятно, содержит более 8 солнечных
масс. Такой результат получен из анализа периода и вариаций
светимости оптической звезды-компаньона Лебедя Х-1; такой
анализ позволяет нам рассчитать орбиту и массу черной дыры.
Согласно любой из возможных моделей, объясняющих рент-
геновское излучение Лебедя Х-1, источник этого излучения дол-
жен быть компактным объектом-либо нейтронной звездой, ли-
бо черной дырой. Однако теория гравитационного коллапса
и теория устойчивости звезд указывают на то, что никакая нейт-
ронная звезда не может содержать больше 4 солнечных масс.
Менее определенный, но более реальный верхний предел массы
нейтронной звезды составляет всего лишь 2 массы Солнца. Та-
ким образом, отождествление Лебедя Х-1 с черной дырой пред-
ставляется вполне разумным.
ВЗРЫВНОЙ ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ
Взрывы сверхновых приводятся в действие энергией, высобож-
даемой в ходе направленного вовнутрь взрыва центрального же-
лезного ядра или - в случае очень массивной звезды - взрыва всей
центральной области, образующей черную дыру. Внешние слои
звезды выбрасываются в окружающую межзвездную среду, в ко-
1 Имеется в виду «улыбка чеширского кота» в замечательном произведении
классика английской литературы и математика Льюиса Кэрролла (см. Кэрролл Л.
Алиса в Стране чудес. Алиса в Зазеркалье. Серия «Литературные памятни-
ки».-М.: Наука, 1978).-Прим. ред.
267
торой это вещество перераспределяется среди звезд нового
поколения.
Взрыв сверхновой - очень бурное событие, сопровождающееся
выделением большого количества энергии. Когда центральное
железное ядро испытывает направленный вовнутрь взрыв, обра-
зуя нейтронную звезду, то резкое высвобождение энергии вызы-
вает взрывную волну, которая проходит далее через окружаю-
щие слои, состоящие из кремния, кислорода, углерода, гелия
и-на самой внешней границе-из водорода. Вещество за корот-
кое время разогревается до температуры, которая намного пре-
восходит температуры, достигавшиеся за всю предшествовав-
шую историю звезды. Одновременно с этим в большом
количестве возникают нейтроны как в коллапсирующем ядре,
так и в окружающих горячих слоях, испытавших действие удар-
ной волны. Это способствует иррадиации вещества в звездной
оболочке. Бомбардировка нейтронами и возникающая на корот-
кое время высокая температура создают условия, необходимые
для протекания взрывного ядерного синтеза. Теперь могут обра-
зовываться элементы тяжелее, железа, а также многие редкие изо-
топы, которых не было на ранних стадиях стационарного ядер-
ного синтеза. Таким образом, во взрывах сверхновых создаются
уникальные условия, при которых энергия может идти на синтез
более тяжелых элементов.
РАЗЛИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ВО ВСЕЛЕННОЙ
Насколько мы можем быть уверены в том, что тяжелые эле-
менты возникали в продуктах взрывов древних сверхновых? На
это, в частности, указывает содержание различных элементов во
Вселенной (рис. 107). С увеличением массы атома ядра с четным
массовым числом оказываются представленными более широко,
чем ядра с нечетным массовым числом. Это является прямым
следствием ядерных свойств элементов. Если тяжелые элементы
образуются в процессе ядерных реакций, то наблюдаемые вариа-
ции их содержания легко объяснить на основании устойчивости
атомных ядер, или степени связанности ядер (рис. 108).
Ядро, содержащее нечетное число частиц (протонов или ней-
тронов), имеет один неспаренный протон или нейтрон, тогда как
ядро с четным массовым числом не содержит неспаренных ча-
стиц. Чтобы частицы входили в пару, необходимо, чтобы они
были подобными (протон-протон или нейтрон-нейтрон). Не
входящие в пары частицы означают меньшую устойчивость
ядра, поскольку свободные связи могут служить для присоедине-
ния дополнительной частицы. Соответственно ядра с четным
числом нейтронов и протонов более стабильны, чем ядра с не-
четным числом частиц, поэтому ядерный синтез должен приво-
268
Рис. 107. Относительное содержание атомных ядер
Среди атомных ядер, встречающихся в природе, особенно обильны водород
и гелий. Литий, бериллий и бор явно выделяются в особую группу. Как и у дей-
терия, ядра этих трех элементов настолько неустойчивы, что они могут лишь
разрушаться, а не создаваться в звездах; они могли образовываться в Большом
взрыве. Заметим, что среди более тяжелых элементов наиболее широко распро-
странено железо.
дить к преимущественному образованию ядер с четным мас-
совым числом. Различие между естественным содержанием ядер
с четными и нечетными массовыми числами является прямым
указанием на то, что тяжелые элементы должны были образовы-
ваться в ядерных реакциях синтеза, включая соединение прото-
нов, нейтронов и ядер гелия с более тяжелыми ядрами. Наиболее
вероятные условия для этого процесса ядерного синтеза реали-
зуются внутри звездных ядер. Как мы уже видели, только взры-
вы сверхновых, по-видимому, способны разрушать звездные ядра
в достаточной мере, чтобы при этом высвобождались более тя-
желые элементы, заключенные в ядрах звезд. Отсюда мы заклю-
чаем, что рождение и смерть звезд предыдущих поколений дол-
жны были происходить до образования нашего Солнца. Содер-
жание тяжелых элементов, наблюдаемое в Солнце и других звез-
дах, убедительно свидетельствует в поддержку этой теории.
Содержание различных наиболее распространенных элемен-
тов удивительно много говорит о составе проэволюционировав-
ших звезд. В звездах с массой 20 солнечных масс обнаруживается
такое же относительное содержание углерода, азота, кислорода,
269
Рис. 108. Энергия связи ядра
Некоторое представление об относительном содержании различных элементов
можно получить, изучая количество энергии, запасенное в каждом ядре. Ну-
клоны связаны в ядре ядерными силами, и при образовании ядра высвобождает-
ся определенное количество энергии (энергии связи). На графике представлена
энергия связи, приходящаяся на одну частицу в ядре, в зависимости от числа ча-
стиц в ядре (массового числа). Относительная выделенность гелия указывает на
то, что при его синтезе выделяется большое количество энергии. После образо-
вания гелия выделение энергии за счет синтеза более тяжелых элементов стано-
вится все более слабым: относительные максимумы постепенно уменьшаются.
С образованием никеля и железа наступает конец; при синтезе элементов тяже-
лее железа мы, наоборот, должны затратить энергию.
кремния, серы и железа, которое мы наблюдаем на Земле
(рис. 109). Звезда с массой 20 солнечных масс должна была бы
быть более чем в 10000 раз ярче Солнца. Такой огромный рас-
ход энергии должен означать, что звезда быстро израсходует
свой запас ядерного горючего. Следовательно, синтезируя рас-
пространенные тяжелые элементы, массивные звезды обречены
на быструю эволюцию.
Теперь мы можем собрать воедино все наши знания о рожде-
нии и смерти звезд и включить их в теорию эволюции Вселен-
ной. Примерно через 100 млн. лет после первоначального сжатия
протогалактических газовых облаков из непрозрачных фрагмен-
тов начали образовываться массивные звезды. Время жизни этих
звезд составляло несколько миллионов лет, затем они коллапси-
270
Рис. 109. Тяжелые элементы, создаваемые массивной звездой
На рисунке дано схематическое изображение звезды с массой 20 солнечных масс
непосредственно перед ее вступлением в заключительные стадии эволюции. Же-
лезное ядро с массой около 1,4 солнечных масс окружено слоями переработан-
ного вещества, которое было создано на более ранних этапах жизни звезды. На
каждой стадии ядерного горения оставалась оболочка более легкого неперера-
ботанного вещества, поскольку температура в оболочке была недостаточно вы-
сока, чтобы происходило горение этого вещества.
ровали и становились сверхновыми. Центральные ядра этих
звезд испытывали взрыв вовнутрь, образуя компактные нейтрон-
ные звезды, тогда как основная часть их массы выбрасывалась
наружу при взрывах сверхновых. Отходы от каждого взрыва
образовывали быстро расширяющуюся газовую туманность, или
остаток взрыва сверхновой.
Крабовидная туманность-это самый известный остаток
взрыва сверхновой. Еще один подобный остаток, туманность Ве-
ла, виден на южной половине неба (рис. ПО). Пульсары, отож-
дествляемые с вращающимися нейтронными звездами, были об-
наружены в каждом из этих остатков. Крабовидная туманность
в настоящее время расширяется со скоростью около 1000 км/с,
271
Рис. ПО. Остаток взрыва сверхновой Вела
Этот быстро расширяющийся остаток взрыва сверхновой возник около 10000
лет назад. Остаток взрыва сверхновой-туманность Вела является интенсивным
источником мягкого рентгеновского излучения и содержит радиопульсар (указан
стрелкой). Неправильная форма туманности обусловлена взаимодействием
взрывной волны, порожденной сверхновой, с большим числом межзвездных
облаков и волокон газа. Как только их достигал взрыв, они начинали светиться,
и видимая совокупность ярких участков и волокон обрисовывает сегодняшнюю
протяженность остатка, который до сих пор еще расширяется со скоростью не-
сколько сотен километров в секунду.
и ее современный радиус соответствует времени, прошедшему
после ее образования в 1054 г. Туманность Вела больше Крабо-
видной туманности и расширяется более чем в два раза медлен-
нее. Возраст остатка взрыва сверхновой, давшей начало туманно-
сти Вела, оценивают в 10000 лет.
272
Врываясь в межзвездное вещество, остатки взрывов сверх-
новых замедляются и в конце концов хорошо перемешиваются
с межзвездным газом. Таким образом, тяжелые элементы, обра-
зовавшиеся в первых звездах, распределяются по всей Галактике,
попадая в межзвездные облака, которые затем сжимаются, обра-
зуя звезды следующего поколения.
В ранней Галактике взрывы сверхновых происходили намно-
го чаще, чем сегодня. Возможно, что в первые 100 млн. лет жиз-
ни нашей Галактики каждый год вспыхивало по сверхновой. Эти
сверхновые были ответственны за те тяжелые элементы, благода-
ря которым образовалось звездное население диска Галактики.
Солнце, расположенное ближе к периферии Галактики, образова-
лось примерно 5 млрд, лет назад, когда возраст Галактики со-
ставлял около 10 млрд. лет. К тому времени, когда образовалось
Солнце, темп взрывов сверхновых уменьшился приблизительно
до сегодняшнего уровня. Наблюдения Крабовидной туманности
и других остатков взрывов сверхновых показывают, что про-
цессы ядерного синтеза и обогащения межзвездного газа продол-
жаются и по сей день.
СВЕРХНОВЫЕ
И СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА
Возможно, что сжатие межзвездных облаков вызывается ударной
волной, распространяющейся от ближайших взрывов сверх-
новых. Привлекают внимание некоторые данные, указывающие
на взаимодействие сверхновой с межзвездным облаком, из кото-
рого образовалась наша Солнечная система. Полный химический
анализ образцов от нескольких больших метеоритов обнаружил
существование аномалий в содержании определенных видов изо-
топов. Аномалии были обнаружены в малых вкраплениях (вклю-
чениях), которое по своему химическому составу существенно
отличались от окружающего метеоритного вещества (рис. 111).
Относительное содержание определенных изотопов в этих вклю-
чениях заметно отличалось от земного. Наибольший интерес вы-
зывает обнаружение следов редкого изотопа магния (26Mg) вну-
три метеоритных включений, богатых аллюминием. Этот изотоп
магния в естественных условиях на Земле не встречается, а в ме-
теоритных включениях обнаруживают тем больше 26Mg, чем вы-
ше степень их обогащения алюминием. Радиоактивный распад
превращает нестабильный изотоп алюминия 26А1 в 26Mg; по-ви-
димому, неизбежен вывод, что 26Mg возникал именно таким пу-
тем. Поразительно то, что время полураспада 26А1 составляет
лишь 1 млн. лет. У нестабильного радиоактивного изотопа алю-
миния нет никаких долгоживущих предков; бесспорно, он являет-
ся родительским изотопом по отношению к обнаруженному ред-
кому изотопу магния.
273
Рис. 111. Хондриты
Каменные метеориты типа хондритов содержат мрамороподобные вкрапления
из вещества, которое несет на себе следы сильного плавления, свидетельствую-
щие о том, что эти вкрапления образовались при высоких температурах. Хон-
дриты-самые старые из известных пород, они существовали еще до образова-
ния Солнца. Повышенное содержание некоторых изотопов, обнаруженное
в определенных хондритах, свидетельствует о загрязнении этими изотопами-
возможно, в результате близкого взрыва сверхновой-облака, из которого кон-
денсировалась Солнечная система. Наиболее хорошо изучены образцы, взятые
из метеорита Алленде (а), углистого хондрита, который упал в Мексике в 1969 г.
Крупным планом показан также образец хондрита, упавшего на территории Че-
хословакии (б).
В соответствии с нашим сегодняшним представлением о про-
исхождении элементов указанный изотоп алюминия должен был
быть создан во взрыве сверхновой. Очевидно, что осколки, бо-
гатые радиоактивным алюминием, возникли при взрыве сверхно-
вой и затвердели меньше, чем за 1 млн. лет после взрыва сверх-
новой, прежде чем могло произойти заметное растворение
обогащенного алюминием вещества в межзвездном веществе.
Сверхновая могла непосредственно предшествовать образова-
нию метеорита, а поэтому и образованию Солнечной системы.
По космическим меркам миллион лет-это лишь краткий миг.
Фактически это примерно то время, за которое плотное облако,
после того как началось его сжатие, может фрагментировать на
звезды.
Таким образом, мы с полным основанием можем сделать вы-
вод, что некоторые метеоритные осколки, обнаруженные на Зем-
ле, пришли к нам в своем «первозданном» виде от близкого
взрыва сверхновой, который непосредственно предшествовал
образованию Солнечной системы. Согласно одной из гипотез
осколки сверхновой по мере расширения и охлаждения конденси-
ровались в маленькие твердые зернышки. Эти зернышки дей-
ствовали наподобие шрапнели, пробивая себе путь в сжимаю-
щемся межзвездном облаке, из которого было суждено образо-
ваться Солнечной системе. В процессе образования Солнечной
системы зернышки «застревали» в метеоритах.
Солнце и миллиарды других похожих звезд являются ко-
нечными продуктами описанной нами цепочки событий. Мы мо-
жем вообразить такой сценарий. В течение первых 500 млн. лет
жизни Галактики массивные звезды быстро эволюционировали,
создавая большую часть тяжелых элементов, которые распреде-
лились по всей Галактике благодаря взрывам сверхновых. Мил-
лиарды лет спустя из «пепла» древних звезд, попавшего в меж-
звездное облако, образовалась Солнечная система. Спустя
примерно 5 млрд, лет после сжатия межзвездного облака, кото-
рому было суждено стать Солнечной системой, один конечный
продукт этой эволюции - метеорит упал на другой конечный про-
дукт эволюции-планету Земля и был изучен третьим конечным
продуктом-разумным живым существом. В следующей главе
мы познакомимся с теорией образования и эволюции Солнечной
системы и тех уникальных объектов, которые в ней обнаружи-
вают.
16
ОБРАЗОВАНИЕ
СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
W
Переход от неживого к живому явился почти невоз-
можной цепочкой в высшей степени маловероятных
событий. Но во Вселенной, содержащей более 1О20
звезд, способных создавать вокруг себя планетные си-
стемы, за период времени не менее 1О10 земных лет
почти все могло произойти и повториться. Очевидно,
эта неправдоподобная цепочка событий и в самом деле
произошла, по крайней мере, однажды-в Солнечной си-
стеме, иначе не было бы здесь нас, хрупких потомков
каких-то довольно ядовитых газов и вспышек многочис-
ленных молний.
Харлоу Шепли
Обсуждая Большой взрыв, эволюцию галактик и эволюцию
звезд, мы узнали, как астрономы наблюдали и классифицирова-
ли системы, расположенные в далеком космосе, как они создава-
ли теории происхождения и эволюции этих систем. В этой главе
мы рассмотрим наше ближайшее окружение, Солнечную систе-
му, и в общих чертах познакомимся с теорией образования
и эволюции уникальных объектов Солнечной системы. Как мы
видели в гл. 15, кажется весьма вероятным, что Солнечная систе-
ма образовалась из газово-пылевого облака, сжатие которого
было вызвано взрывом сверхновой. Хотя облака, из которого
возникла Солнечная система, больше не существует, следы его
остались в свойствах наблюдаемых сегодня объектов Солнечной
системы. Сначала остановимся на тех их свойствах, которые при-
звана объяснить теория происхождения Солнечной системы.
Одной из ее особенностей-наряду с Солнцем, планетами, спут-
никами, кометами, астероидами и метеоритами - является и сама
жизнь.
СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА
Наиболее поразительная особенность Солнечной системы, воз-
можно, состоит в том, что орбиты всех ее планет почти круговые
и лежат в экваториальной плоскости Солнца (рис. 112). Все пла-
неты не только обращаются вокруг Солнца в том же направле-
нии, что и оно само, но практически все из них вращаются во-
круг собственной оси в том же направлении. Оси вращения
планет почти параллельны оси вращения Солнца, исключение со-
ставляет Уран, у которого ось вращения наклонена почти на 90°.
Системы спутников в большинстве своем также демонстрируют
276
подобную упорядоченность. Внутренние планеты (Меркурий, Ве-
нера, Земля и Марс) представляют собой относительно неболь-
шие, богатые металлами плотные тела, которые вращаются до-
статочно медленно и имеют мало спутников. Внешние, гигант-
ские планеты-это огромные, богатые водородом системы,
в основном имеющие много спутников.
Из законов механики Ньютона известно, что тело при движе-
нии с постоянной скоростью сохраняет свой импульс. Мы можем
количественно описать вращение тела, вычислив его угловой мо-
мент. Солнце вращается медленно, и его угловой момент до-
вольно мал по сравнению с тем, что можно было бы ожидать
у межзвездного облака сравнимой массы, которое сжималось
в звезду. Большая доля углового момента Солнечной системы,
как оказывается, «заключена» в орбитальных движениях пла-
нет-прежде всего в движении самой большой из них, Юпитера.
Наряду с планетами Солнечная система содержит также мно-
жество более мелких движущихся по орбитам тел; к ним отно-
сятся астероиды, метеорные тела, кометы и кольца Сатурна,
Урана и Юпитера. Астероиды достигают размеров до 1000 км
и расположены главным образом между Марсом и Юпитером
(рис. ИЗ). Имеется всего лишь около 200 астероидов, превышаю-
щих 100 км в диаметре, но десятки тысяч астероидов имеют диа-
метр больше 1 км. Высказывалась гипотеза что когда-то на ме-
сте пояса астероидов находилась планета. Это предсказание
основывалось на эмпирическом соотношении, известном как за-
кон Боде, который указывает выделенные положения (расстояния
от Солнца), в которых должны были бы образоваться планеты
Солнечной системы. Закон Боде, вероятно, можно объяснить на
основе гравитационного притяжения между Солнцем и планета-
ми [20].
Широкий разброс орбит астероидов, по-видимому, исключает
возможность того, что они являются остатками когда-то суще-
ствовавшей, а затем разрушившейся планеты. Кроме того, исто-
рия формирования химического состава метеоритов, которая, как
предполагают, похожа на аналогичную историю астероидов, от-
личается от истории формирования химического состава земных
или лунных пород и указывает на их происхождение от несколь-
ких различных родительских небесных тел. По-видимому, асте-
роиды и метеориты скорее являются древнейшими осколками,
которым не удалось собраться в планету. Периодические вариа-
ции яркости указывают на то, что астероиды являются быстро
вращающимися телами весьма неправильной формы - видимое
сечение астероида меняется при его вращении. Спектроскопиче-
ские наблюдения показали, что большинство астероидов очень
схожи по своему составу с метеоритами. Многие астероиды
представляют собой черные, с низкой отражательной способ-
ностью тела, близкие по своему составу к каменным метеоритам.
В других астероидах обнаружено много железа и никеля.
277
Метеориты можно ра-целить на два широких класса: же-
лезные и каменные. Существует также некая гибридная катего-
рия-железокаменные метеориты. Методом радиоактивного да-
тирования установлен возраст разновидности каменных метеори-
тов-углистых хондритов, который составляет 4,6 млрд. лет.
Метеориты содержат стеклообразные включения, говорящие
Рис. 112. Планеты
В таблице приведены данные по планетам, а рядом представлены рисунки, на
которых показаны относительные размеры планет. Знак «минус» перед значе-
ниями периодов вращения Венеры и Урана указывает на то, что эти планеты
вращаются в обратном направлении.
Объект Солнечной системы	Относительные размеры (приближен но)	Расст. от Солнца, млн. км.	Диаметр, тыс. км.	Масса (относит. Земли)
			1398	343000
Солнце				
Меркурий	о	58	4,8	0,1
Венера	о	108	12,3	0,8
Земля	о	150	12,7	1
Марс	о	229	6,8	0,1
Юпитер	I		783	143	317,8
Сатурн		1437	123	95,2
		2885	52,4	14,5
Уран	о		—	
		4530	50,6	17,2
Нептун			—	
Плутон	О	6090	3,1	0,002
278
о том, что они зарождались при очень высоких температурах,
при которых должно было происходить плавление пород. При
изучении метеоритов обнаружены также слабые следы редких
изотопов, образующихся в ходе радиоактивного распада неста-
бильных родительских ядер. Ранее мы уже отмечали, что неко-
торые из этих нестабильных ядер, вероятно, были синтезированы
в ходе взрыва сверхновой, непосредственно предшествовавшего
образованию Солнечной системы.
Кометы представляют собой массивные глыбы замерзшего
вещества, движущиеся вокруг Солнца по сильно вытянутым эл-
липтическим орбитам; некоторые из них простираются за орби-
Число спутников	Плотность, г/см3	Период вращения, зем. сутки	Период обращения вокруг Солн- ца, зем. годы	Средняя темпера- тура, К	Наклон плоскости экватора к орбите, градусы	Наклон орбиты к плоскости эклиптики
—	1,4	27	—	5800	—	—
0	5,4	55	0,24	-600	<28	7
0	5,2	-244	0,62	750	177	3,3
1	5,5	1	1,00	280	23,5	0
2	3,9	1,03	1,88	240	24	2
14	1,3	0,41	11,86	128	3	1,3
И	0,7	0,43	29,48	105	27	2,5
5	1,2	-(0,6-1)?	84,01	70	98	0,8
2	1,5	0,66	164,79	55	29	1,8
1	0,7	6,4	248,4	?	?	17,1
279
Рис. 113. Орбиты астероидов
Астероиды находятся преимущественно между орбитами Марса и Юпитера.
Астероиды Троянцы движутся по орбите Юпитера впереди и позади него на
расстоянии около 60°, занимая выделенные положения, в которых движение
устойчиво. Астероид Идальго уходит от Солнца дальше, чем все другие из-
вестные астероиды.
ту Плутона с одной стороны и заходят внутрь орбиты Мерку-
рия-с другой (рис. 114). Могут пройти сотни лет, прежде чем
иная комета покинет холодные, унылые внешние области Сол-
нечной системы и приблизится к Солнцу. Приближаясь к вну-
тренним областям Солнечной системы, комета постепенно нагре-
вается и начинает испаряться. Поток горячего газа, исходящий
от Солнца,-солнечный ветер выдувает наружу образовавшиеся
пары, и в результате из светящегося горячего газа образуется
хвост кометы, направленный всегда от Солнца. Некоторые ко-
меты (короткопериодические) появляются заметно чаще; их ор-
биты достигают пояса астероидов. У этих комет не наблюдается
хвостов; предполагают, что запасы замерзшего вещества в них
к настоящему времени исчерпались.
В конце концов кометы распадаются на множество не свя-
занных друг с другом мелких частиц; в определенное время года,
когда они проходят около Земли, они наблюдаются в виде ме-
теорного потока (дождя) (рис. 115). Наиболее заметные ме-
теорные потоки, как правило, связывают с определенными коме-
тами. Каждый год, когда Земля пересекает орбиту кометы, она
сталкивается с осколками, оставленными кометой. Сгорая
в верхних слоях атмосферы, они наблюдаются в виде метеоров.
Кольца Сатурна имеют протяженность в диаметре около
274 тыс. км, но их толщина не превышает 5 км. Система колец
настолько тонка, что наблюдатели теряют ее из виду, когда в те-
чение нескольких дней через каждые пятнадцать лет она обраще-
на к Земле торцом. Кольца-это не сплошные образования; было
обнаружено, что они состоят из множества мелких ледяных ча-
стиц размером в несколько сантиметров, которые движутся по
круговым орбитам вокруг гигантской планеты.
Недавно астрономы открыли темные кольца у Урана, распо-
ложенные внутри системы его спутников; эти кольца были обна-
ружены при наблюдении прохождения Урана перед яркой звез-
дой. В отличие от широких колец Сатурна кольца Урана
оказались узкими и разделенными широкими промежутками. Со-
став едва заметных колец Урана пока неизвестен. У Юпитера то-
же имеется тонкое кольцо.
Любая удовлетворительная теория происхождения Солнечной
системы должна быть способна объяснить все эти характерные
свойства, эволюцию всех уникальных объектов, наблюдающихся
сегодня в Солнечной системе: от гигантских планет и до мель-
чайших частичек межпланетной пыли. Наше современное пред-
ставление о происхождении Солнечной системы сформировалось
благодаря вкладу астрономов различных времен. Поэтому мы
считаем целесообразным обратиться теперь к истории развития
наших представлений о Солнечной системе. Можно выделить
три широких класса теорий, развитие которых прослеживается
на протяжении последних трех столетий.
281
ТЕОРИИ ТУРБУЛЕНТНОСТИ
Началом современной космогонии явилась вихревая теория Рене
Декарта (1644), который первым попытался подойти к космоло-
гии с научных позиций. Он утверждал, что движения должны
происходить по замкнутым орбитам в пространстве, заполнен-
ном некоторым загадочным эфиром. Исходя из этой концепции,
он постулировал систему вихрей всевозможных масштабов. Раз-
рушение самых мелких частиц приводит к их падению и, в конеч-
Рис. 114. Кометы
Голова кометы Брукса, наблюдавшейся в октябре 1911 г. (а). Комета Галлея,
сфотографированная 6 и 7 июня 1910 г., вернется к нам в 1986 г. (б).
282
ном счете, накапливанию внутри Солнца, тогда как более
крупные частицы захватываются и удерживаются в вихрях. Одно
из первых возражений, выдвинутых другими учеными против
вихревой гипотезы, сводилось к тому, что она не в состоянии
283
Рис. 115. Метеорный дождь
Метеорные дожди представляют собой захватывающее зрелище стремительно
падающих звезд; они возникают, когда множество метеорных частиц вспыхи-
вает в земной атмосфере. Огромные скопища метеорных частиц, как предпола-
гается, являются осколками комет с короткими периодами; осколки движутся
по орбите вокруг Солнца, периодически пересекая земную орбиту. На гравюре
показан метеорный дождь Леонид, который наблюдался 12 ноября 1833 г.;
он появляется каждые 33 года.
объяснить симметрию Солнечной системы, в которой все движе-
ния планет происходят в солнечной эклиптике, т.е. в эквато-
риальной плоскости.
Современные версии вихревой космогонии развили и усовер-
шенствовали ранние идеи Декарта, постулировав существование
вращающейся и турбулентной газовой атмосферы вокруг Солнца
в начальный период после его образования. Турбулентность
можно описать с помощью иерархии вихрей, или ячеек турбу-
лентности, которые одновременно существуют во многих раз-
личных масштабах длин. Диссипация наименьших ячеек приво-
дила к формированию уплотнений, которые служили ядрами
конденсации для образования планет. Ядра планет росли в ре-
зультате гравитационного притяжения окружающего вещества.
Однако неизбежно встает принципиальный вопрос: что же вызы-
вает турбулентность? Сегодня на данный вопрос нет удовлетво-
рительного ответа, и вследствие этого турбулентные теории бы-
ли отвергнуты.
ПРИЛИВНЫЕ ТЕОРИИ
Первая приливная теория была предложена Георгом Луисом де
Буфоном (1785), который выдвинул идею о возможности столк-
новений комет с Солнцем. В то время считали, что кометы так
же массивны, как Солнце. Сегодня мы знаем, что масса комет
слишком незначительна, чтобы они могли вызвать сколько-ни-
будь заметные приливы на Солнце. Современные версии прилив-
ной теории, разработанные в XX в. Джеймсом Джинсом и Га-
рольдом Джефрисом, исходят из возможности прохождения
вблизи Солнца какой-то звезды, которая могла вырвать из Солн-
ца огромный протуберанец приливного характера. Этот газооб-
разный выброс конденсировался и разбивался на отдельные
фрагменты, которые, охлаждаясь, со временем становились пла-
нетами (рис. 116).
Принципиальная теоретическая трудность приливной теории
заключается в том, что близкое прохождение должно первона-
чально вызвать очень сильное нагревание газа. Такой горячий
газ должен был интенсивно расширяться и. рассеяться прежде,
чем смогла бы произойти конденсация в планеты. Поэтому при-
ливные теории практически были отвергнуты. Одно из следствий
приливной теории состоит в том, что Солнечная система могла
образоваться лишь в результате катастрофического события,
возможно совершенно уникального для Вселенной. Эта точка
зрения была вытеснена эволюционной теорией, согласно которой
образование планет-естественное и широко распространенное
явление.
285
Рис. 116. Приливная теория
Согласно приливной теории, проходившая поблизости звезда своим гравита-
ционным воздействием вызвала сильные приливы на поверхности Солнца, выр-
вав огромные волокна вещества, которые конденсировались в планеты. Эта тео-
рия не может быть признана правильной, так как газовые остатки должны были
быть слишком горячими и, следовательно, не могли конденсироваться в пла-
неты-они просто испарялись бы в межзвездное пространство.
ТЕОРИЯ ТУМАННОСТИ
Началом третьего и в конечном счете наиболее плодотворного
типа теорий Солнечной системы явилась небулярная гипотеза,
сформулированная Иммануилом Кантом (1755) и Пьером Симо-
ном Лапласом (1796). Эта гипотеза легла в основу современной
теории о происхождении Солнечной системы, теории туманно-
сти. Согласно этой гипотезе, протозвездная туманность первона-
чально представляла собой разреженное медленно вращающееся
газовое облако. Постепенно по мере сжатия облака под дей-
ствием самогравитации центробежные силы приводили к выбро-
су колец вещества в экваториальной области. Сегодня такая
картина представляется слишком упрощенной хотя бы по той
причине, что сама по себе центробежная сила приводит к тому,
что при сжатии газовое облако должно было просто-напросто
становиться все более уплощенным, а не выбрасывать кольца.
286
Сегодня небулярная гипотеза коренным образом видоизмени-
лась. Согласно расчетам, угловой момент Солнца, по всей види-
мости, явно недостаточен, чтобы им можно было объяснить вы-
брос соответствующего количества вещества в виде сплошного
диска, из которого образовались планеты. Тем не менее заманчи-
во попытаться объяснить образование планет и спутников вы-
бросами колец, состоящих из движущихся по орбитам частиц.
ТЕОРИЯ АККУМУЛЯЦИИ
В основу современного представления об образовании Солнеч-
ной системы положено медленно вращающееся газовое облако,
в котором поддерживался баланс давления с окружающей сре-
дой. В течение десятков миллионов лет протосолнечная туман-
ность существовала в виде обычного межзвездного облака. Воз-
можно, что поблизости от него образовалась массивная звез-
да-это могло произойти вследствие сжатия, вызванного прохо-
ждением спиральной волны плотности,-и смерть этой звезды
привела к взрыву сверхновой. Приход ударной волны, порожден-
ной взрывом сверхновой, мог вызвать коллапс облака.
Наличие магнитного поля во вращающемся, сжимающемся
газовом облаке играет важную роль при коллапсе облака. По
мере того как вращение облака ускоряется, магнитные силовые
линии, которые ведут себя как упругие нити, закручиваются
(рис. 117). Магнитные натяжения приводят к образованию мед-
ленно вращающегося центрального ядра, при этом вещество,
оставшееся в кольце на периферии, быстро вращается. Этот эф-
фект помогает нам понять распределение углового момента
в Солнечной системе. Тем не менее расчеты, по-видимому, гово-
рят о том, что первоначально Солнце должно было вращаться
намного быстрее, чем сегодня. Непосредственные наблюдения
более молодых звезд с такой же, как у Солнца, массой подтвер-
ждают этот результат. В настоящее время известно, что в конеч-
ном счете уменьшение углового момента Солнца обусловлено
главным образом непрерывной потерей массы за счет солнечно-
го ветра, происходившей на протяжении первого миллиарда лет
жизни Солнца.
В сжимающемся облаке быстро развивается плотное, медлен-
но вращающееся, непрозрачное ядро, которому суждено было
стать Солнцем. Ядро было окружено вращающимся газовым ди-
ском-протосолнечной туманностью. Газ содержал много частиц
пыли; от падения на протосолнце его удерживали центробежные
силы, действующие во вращающейся туманности. Известно, что
частицы межзвездной пыли присутствуют повсюду в межзвезд-
ной среде; это удалось установить благодаря тому, что они по-
глощают свет звезд и приводят к его покраснению.
На ранней стадии сжатия протосолнца газ мог нагреваться
настолько (свыше 2000 К), что изначально существовавшие в нем
287
Рис. 117. Замедление магнитным полем
По мере вращения протосолнечной туманности силовые линии магнитного поля
все сильнее закручивались. Подобно упругим нитям, они создавали натяжения.
В результате скорость вращения протосолнца падала, вещество во внешней ча-
сти протосолнечной туманности приобретало значительный угловой момент. За-
медление протосолнца способствовало конденсации вещества в центре, где обра-
зовалось Солнце; передача углового момента туманности позволяет объяснить
большой угловой момент планет.
мельчайшие частицы должны были в большинстве своем распла-
виться. Рано или поздно по мере охлаждения газа во внешних
областях протосолнца начинают конденсироваться новые частич-
ки. Это напоминает образование снежинок. Сначала возникали
частички из металла жаропрочных силикатных материалов, за-
тем по мере понижения температуры образовывались более лег-
ко испаряющиеся ледяные частички. То, что конденсация прохо-
дила именно в такой последовательности, надежно подтвер-
ждается изучением химического состава и структуры метео-
ритных образцов.
В протосолнечной туманности твердые частицы пыли охла-
ждались и падали сквозь газ на чрезвычайно тонкий диск веще-
ства в экваториальной плоскости протосолнца (рис. 118). Эти ча-
стички были намного тяжелее отдельных атомов газа, поэтому
газ почти не оказывал сопротивления сжатию пыли в диск.
288
Рис. 118. Современная теория образования Солнечной системы
Протосолнце образовалось в центре протосолнечной туманности (а), которая
при сжатии поддерживалась вращением. Частицы пыли падали сквозь туман-
ность и накапливались в тонком диске вещества. Диск вследствие гравитацион-
ной неустойчивости разбивался на планетезимали, из которых в конечном счете
образовались планеты (б). При высоких температурах, существовавших вблизи
Солнца, могли сохраниться только жароустойчивые каменистые вещества, а во
внешних областях могли в большом количестве конденсироваться вещества
в форме льда. Таким образом, внутренние планеты Солнечной системы оказа-
лись малыми по размеру и тяжелыми, а внешние планеты-большими и легки-
ми. Вследствие сжатия все орбиты планет лежат в экваториальной плоскости
Солнца, и все планеты, за исключением Венеры и Урана, вращаются в том же
направлении, что и Солнце.
Кольца Сатурна могут служить примером той части диска, кото-
рая не подверглась дальнейшей эволюции. Из-за близости
огромной планеты вещество колец не могло собраться в единое
тело-спутник планеты; гравитационные приливные силы разор-
вали бы такой спутник на части. Внешние же области диска Са-
турна в конце концов сформировали спутники планеты.
Тонкий диск из холодной пыли был в той же степени гравита-
ционно неустойчивым, что и облако холодного газа. Малые
флуктуации плотности оказывали на окружающее их вещество
некоторое избыточное гравитационное воздействие. Частицы пы-
ли, не задерживаемые силами давления, притягивались более
10-896
289
плотными областями. В результате образовывались малые сгу-
щения межзвездной пыли. Самогравитации в этих сгущениях
превосходила слабое давление, и возникали гравитационно свя-
занные комки. Расчеты показывают, что комки межзвездной пы-
ли должны были иметь размер астероидов. Эти первичные обра-
зования получили название планетезималей. Астероиды и ядра
планет, вероятно, представляют собой сохранившиеся остатки
планетезималей, заполнявших когда-то Солнечную систему.
Как именно происходит слипание частиц пыли, приводящее
к образованию комков, пока остается загадкой. Вполне возмож-
но, что пыль состояла преимущественно из частиц льда, и поэто-
му рыхлые пылинки могли сравнительно легко слипаться друг
с другом. Скорость, с которой частицы сталкивались друг с дру-
гом, могла быть не настолько большой, чтобы они полностью
разбивались, но тем не менее достаточной, чтобы они слипались
подобно тому, как при сжатии снежинки слипаются в снежок.
Далее, движущиеся по орбитам планетезимали сталкивались
друг с другом. Небольшие комки пыли сбивались в более
крупные тела и разрушались. По мере все новых и новых столк-
новений осколки скапливались, сжимаясь в твердые глыбы
вещества.
На этой стадии гравитация способствовала аккреции веще-
ства на самые большие планетезимали, и они в конце концов вы-
растали до размера планет. Сила притяжения, создаваемая пла-
нетой, очистила от более мелких комков пыли все пространство
вокруг почти круговой орбиты планеты. Исследования кратеров
Луны, Меркурия и Марса указывают на то, что на протяжении
нескольких сотен миллионов лет (примерно 4,6 млрд, лет назад)
темп образования кратеров был в сотни раз выше, чем сегодня.
Происходили столкновения с планетезималями, диаметр ко-
торых (порядка 100 км) типичен для многих астероидов. В тече-
ние 100 млн. лет, когда происходило образование Солнечной си-
стемы, планетезимали соединялись, формируя планеты и их
спутники. Все вещество, оставшееся после этого, израсходовалось
за последующие несколько сотен миллионов лет при столкнове-
ниях с большими телами. Самые крупные планетезимали, есте-
ственно, росли наиболее быстро, захватывая и накапливая боль-
шую часть осколков, возникших при соударениях с меньшими
фрагментами. Кроме пояса астероидов, колец Сатурна и Урана
и облака остатков льда, окружающего Солнечную систему,
в межпланетном пространстве осталась только пыль.
Тем временем молодое Солнце становилось светящимся
объектом. Когда первые солнечные лучи прорезали пелену пыли,
окружающую Солнце, в пространство начала излучаться энергия,
которая повлияла на свойства образующихся в это время планет.
Вблизи Солнца температура была высокой, и легко испаряющие-
ся вещества, находящиеся в состоянии льда, улетучились. В этих
290
и пыли, из которого со временем могли бы конденсироваться планеты. На
самом деле диск не был сфотографирован, однако наблюдения на различных
длинах волн позволяют сделать набросок модели этой системы.
условиях могли сохраниться только жаростойкие, каменистые
и металлические частицы. Поэтому внутренние планеты образо-
вались преимущественно из плотного, каменистого материала.
Они сравнительно маломассивны и не способны удержать замет-
ное количество водорода или гелия. Во внешних областях Сол-
нечной системы температура была достаточно низкой, так что
вещества, находящиеся в состоянии льда, там не таяли. Здесь мог-
ли образоваться более массивные планеты, которые благодаря
этому были в состоянии удержать водород и гелий. Поэтому ги-
гантские внешние планеты Солнечной системы массивны, но
имеют сравнительно малую плотность; они состоят в основном
из водорода и гелия. Спутники внешних планет удержали боль-
шую часть легких элементов, которые входили в состав льдов,
но они могли потерять большую часть своего водорода и гелия.
Согласно современной теории аккумуляции, большинство
планет образовалось в результате скапливания многих тел мень-
ших размеров, движущихся вокруг протосолнца по орбитам, ле-
жащим внутри плоского диска (рис. 119). Эта теория есте-
ственным образом объясняет направление вращения планет по
орбите и вокруг собственной оси. Исключение составляет Уран.
По-видимому, он образовался при столкновении всего лишь не-
скольких, возможно только двух, больших тел. Эта теория смог-
ла объяснить наклон Урана к плоскости эклиптики, составляю-
щий около 90°. У планет, образовавшихся из многих более
10*
291
мелких тел, индивидуальные направления вращений которых
как-то усреднялись, ось вращения в конечном счете оказалась па-
раллельной оси вращения Солнца.
Обратное вращение Венеры указывает на то, что в свое время
произошло сильное замедление планеты, обусловленное при-
ливными силами. Подобный эффект имел место и в системе Зем-
ля-Луна, поэтому Луна всегда обращена к Земле одной и той
же стороной. Причины этого очевидны: за время, равное периоду
обращения вокруг Земли, Луна совершает единственный оборот
вокруг собственной оси. Такое совпадение периода собственного
вращения с орбитальным периодом обусловлено вызванной при-
ливами деформацией Луны-она имеет форму, хотя и слабо вы-
раженную, мяча для игры в регби. В результате действия грави-
тационных сил большая ось Луны всегда направлена к Земле,
хотя разница между длиной лунных осей составляет всего 2 км.
Нет сомнения, что современные наблюдения астероидов да-
дут нам некоторую информацию о Солнечной системе эпохи,
предшествовавшей образованию планет. Возможно, что гравита-
ционное притяжение со стороны Юпитера подавило процесс коа-
гуляции в поясе астероидов. Внешняя половина пояса астероидов
состоит преимущественно из темных астероидов с большим со-
держанием углерода. По своему химическому составу они близки
к углистым хондритам. Состав астероидов указывает на то, что
конденсация не могла бы произойти при температурах выше
примерно 400 К. Можно было бы ожидать, что углеродсодержа-
щие вещества еще чаще встречаются у внешней границы пояса
астероидов. Некоторые данные говорят об аналогичном плавном
переходе между сгущением, образовавшимся из жаропрочного
материала во внутренней части Солнечной системы, и конденса-
цией из легкоиспаряющегося льда во внешней ее части. Кроме
того, по своим размерам астероиды близки многим спутникам
планет, которые образовались в подобном процессе аккумуля-
ции. В гигантских планетах собралось больше осколков, и поэто-
му они приобрели сравнительно много спутников.
Теория аккумуляции предсказывает, что любая система спут-
ников должна быть похожа на Солнечную систему в миниатюре.
Все спутники должны лежать в экваториальной плоскости роди-
тельской планеты, иметь круговые орбиты, а их обращение по
орбите и собственное вращение должны происходить в одном
направлении. Немногие объекты, составляющие исключения (на-
пример, внешние спутники Юпитера), часто являются малыми
телами, которые могли бы быть недавно захваченными астерои-
дами. Возможно, кольца Сатурна также состоят из первичных
осколков, оставшихся после образования спутников этой пла-
неты. Плутон имеет самую вытянутую среди других планет ор-
биту, по которой он уходит от Солнца дальше всех планет. Ор-
бита Плутона фактически заходит внутрь орбиты Нептуна.
Кроме того, в отличие от других планет Плутон имеет очень ма-
292
лую массу и, вероятно, весит не больше Луны. Астрономы вы-
сказали предположение, что первоначально Плутон был спутни-
ком Нептуна. Спутник последнего Тритон обладает необычной
орбитой, по которой он движется в обратном направлении во-
круг Нептуна; возможно, он являлся участником катастрофиче-
ского столкновения между двумя спутниками, которое привело
к выбросу Плутона на его сегодняшнюю орбиту.
Кометы тоже могли сформироваться из первичного материа-
ла, который собирался на границе Солнечной системы. Пола-
гают, что за орбитой Плутона имеется огромное множество ко-
метных ядер. Гравитационное воздействие проходящих где-то
поблизости звезд может время от времени приводить к тому, что
в направлении Солнца выбрасывается огромная глыба льда. Во
внутренней части Солнечной системы под действием солнечного
тепла вещества, находящиеся в состоянии льда, начинают испа-
ряться и у кометы возникает хвост. Кометы наблюдаются до-
вольно часто, что вполне соответствует подобному представле-
нию о существовании некоего «резервуара» комет.
ОБРАЗОВАНИЕ ЗЕМЛИ
И ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ
Многие из планетезималей, которые сталкивались друг с другом,
образуя Землю, при ударах, по-видимому, расплавлялись; они
и сформировали горячее расплавленное ядро. Высокая темпера-
тура внутреннего ядра поддерживалась благодаря радиоактивно-
му распаду очень тяжелых нестабильных ядер, и Земля до сих
пор имеет жидкое ядро. Существование такого ядра указывает
на то, что произошла сильная химическая дифференциация (отде-
ление более тяжелых элементов от более легких). Большая часть
железа осталась в ядре, тогда как водород, кремний и магний
сформировали окружающую ее мантию. Изучая эхо, возникаю-
щее в земной коре при землетрясении, ученые установили, что
основная масса Земли сосредоточена в железоникелевом ядре,
окруженном мантией из кремниевых пород. Еще одно свидетель-
ство существования расплавленного ядра дают нам конвек-
тивные токи (они напоминают атмосферную турбулентность или
ветры), возникающие, когда горячее вещество стремится под-
няться вверх. В результате конвекции кремниевые породы, имею-
щие меньшую плотность, дрейфуют вверх, к поверхности. Таким
путем могли образоваться породы, из которых состоит суша
континентов. Токи во внешней мантии ответственны за дрейф
континентов. Сегодняшние континенты образовывались по мере
того, как огромные массы земной коры удалялись друг от друга.
Постоянное давление, создаваемое горячими внутренними обла-
стями, время от времени приводит к образованию трещин, воз-
никновению землетрясений и к непрекращающейся вулканиче-
ской активности.
293
Небольшое количество более легких элементов образовало
атмосферу и океаны Земли. Сегодня атмосфера Земли составляет
около 0,025% общей массы Земли. Испарение водяного пара
и выделение углекислого газа из горячей внутренней области, как
это наблюдается при извержениях вулканов, возможно, создали
земную атмосферу. Такие элементы, как водород и гелий, ве-
роятно, были самыми распространенными на молодой Земле.
Первичная атмосфера в значительной степени состояла из бо-
гатых водородом газов, таких, как аммиак, метан и водяной пар.
Сегодняшние атмосферы Юпитера и Сатурна, по-видимому,
очень похожи на атмосферу первобытной Земли, которая, воз-
можно, совсем не содержала свободных молекул озона или кис-
лорода. Почти весь кислород существовал тогда в виде водяного
пара. Поскольку озон в верхней атмосфере поглощает ультра-
фиолетовое излучение Солнца, молодая Земля была более неза-
щищенной от этого излучения, чем в современную эпоху. Почти
нет сомнений, что если бы солнечное ультрафиолетовое излуче-
ние не ослаблялось атмосферой, то его воздействие оказалось бы
вредным или даже гибельным для жизни.
Однако на молодой Земле ультрафиолетовые лучи играли
роль катализатора при синтезе органического вещества. Проде-
лав ряд удивительных лабораторных экспериментов, ученые изу-
чили воздействие вспышек ультрафиолетового излучения и элек-
трических разрядов на газовую смесь, похожую по своему
составу на атмосферу первобытной Земли. Обнаружено, что та-
ким путем можно синтезировать сложные молекулы. Многие
аминокислоты и другие органические соединения, включающие
основные составные части вещества - носителя генетической ин-
формации, были получены в таких экспериментах. Поэтому ка-
жется возможным, что мощные грозы, бушевавшие на молодой
Земле, могли дать первоначальный толчок к возникновению жиз-
ни (рис. 120).
Структура молекул аминокислот асимметрична, вследствие
этого зеркальное изображение такой молекулы отличается от
молекулы-оригинала. Говорят о лево- и правоориентированных
молекулах, которым присущи различные структуры. Молекулы
земных аминокислот являются преимущественно левоориентиро-
ванными, и это служит уникальным признаком земной жизни.
Возможно, что аминокислоты с другой пропорцией право- и ле-
воориентированных молекул образовались где-то в другом месте
Вселенной. Обнаружение таких аминокислот послужило бы еще
одним свидетельством справедливости наших теорий химической
эволюции. Внеземные аминокислоты действительно были обна-
ружены в образцах некоторых метеоритов.
Сложные молекулы аминокислот должны были собираться
в океанах, где вода защищала их от разрушающего действия
солнечного излучения. Водная среда позволяла молекулам взаи-
модействовать друг с другом, в результате чего постепенно син-
294
Рис. 120. Происхождение жизни
Взаимодействие ультрафиолетового излучения молодого Солнца и электриче-
ских грозовых разрядов с облаками паров метана, воды и других простых газов
в насыщенной парами атмосфере первобытной Земли приводило к образованию
аминокислот, которые дождем проливались на Землю. В лагунах и неглубоких
морях аминокислоты были защищены от интенсивного излучения Солнца и по-
степенно образовывали более сложные цепочки молекул. Возникли протеиновые
и нуклеиновые кислоты (носители генетического кода), и, наконец, зародились
примитивные одноклеточные организмы. Различные химические соединения
должны были оставаться инертными, пока не появилась первая самовоспроизво-
дящаяся система, возвестившая начало жизни.
тезировались еще более сложные молекулы. Океаны служили
своего рода гигантской колыбелью, где зарождалась жизнь, со-
здавая условия для образования длинных цепочек молекул, из
которых образовывались живые клетки. Со временем мутации
молекул привели к развитию различных примитивных форм рас-
тительной жизни. Водоросли и другие подобные растения возни-
кали сначала в океанах, позднее растительная жизнь стала разви-
ваться на суше. Тем временем большая часть водорода и гелия,
самых легких элементов, улетучилась из земной атмосферы. Вы-
рабатывался кислород-частично за счет диссоциации молекул
воды под воздействием ультрафиолетового излучения, но
главным образом за счет фотосинтеза.
Самые старые породы, обнаруженные на Земле, возраст ко-
торых превышает примерно 2 млрд, лет, совсем не содержат кис-
лорода. Однако в более молодых породах обнаружены следы
ржавчины, т. е. окисления. Это открытие подтверждает наше
представление о том, что развитие богатой кислородом атмос-
феры было на Земле явлением вторичным. Кислород, и особен-
но озон, играл решающую роль в защите Земли от ультрафио-
летового излучения. Не менее важное значение имело наличие
295
обширных океанов, которые способствовали развитию жизни,
поддерживая постоянную температуру окружающей среды.
Океаны сохраняли солнечное тепло и согревали тем самым Зем-
лю. В то же время водяной пар испарялся из океанов в атмосфе-
ру. Водяной пар окутывал Землю подобно парнику, задерживая
инфракрасное излучение от поверхности Земли, которая нагрева-
лась непосредственно солнечным светом. Так создавалась благо-
приятная среда, в которой в конце концов мог зародиться и раз-
виваться животный мир.
ЖИЗНЬ ВО ВСЕЛЕННОЙ
Эволюция Земли и жизни на ней нашла свое естественное место
в нашем космологическом сценарии. Выдвигалось множество
различных гипотез, но в конечном счете кажется вполне ра-
зумным предположить, что планетные системы могут сопутство-
вать многим звездам в пространстве, хотя непосредственно ни
одной такой системы обнаружено не было. Один из наиболее ве-
роятных кандидатов - звезда Барнарда. Исследования нерегуляр-
ностей в орбитальных движениях звезды Барнарда выявили воз-
можность присутствия невидимого спутника, масса которого
всего в 1,5 раза больше массы Юпитера. Согласно теории обра-
зования Солнечной системы из протосолнечной туманности,
очень маловероятно, чтобы образование Солнечной системы яви-
лось уникальным событием в истории Галактики.
«А жизнь тоже неизбежна?»-этот вопрос остается открытым.
Биологи настаивают на трех основных условиях, необходимых
для развития жизни: достаточно постоянная температура, раст-
воритель наподобие воды и атомы типа атомов углерода, ко-
торые способны образовывать сложные цепочки молекул. Впол-
не можно представить другие формы жизни на основе аммиака
в океанах или на основе кремния. Привлекательной кажется ги-
потеза, что жизнь, по-видимому, существует не только в земной
биосфере; особенно интересным это предположение выглядит те-
перь, когда было обнаружено много сложных молекул в меж-
звездном пространстве. Известно, что в межзвездном газе в со-
седних галактиках очень много водяного пара. Однако до сих
пор мы не располагаем примерами жизни вне Земли. Возможно,
что для существования жизни необходимы условия, подобные
земным.
Хотя в принципе может быть много других планетных систем
и сред, где возможно возникновение жизни, это еще не дает нам
права утверждать, что где-то в Галактике также существует ра-
зумная жизнь. Тем не менее астрономы серьезно относятся к та-
кой возможности и предпринимают активные поиски внеземных
цивилизаций (рис. 121). Пока поиск был направлен лишь на об-
наружение электромагнитного излучения, используемого обычно
для радио- и телесвязи. Самые большие радиотелескопы спо-
296
Рис. 121. Проект «Циклоп»
Для поисков внеземных цивилизаций была предложена система, состоящая из
1500 радиотелескопов, каждый диаметром 100 м. Отдельные антенны должны
быть связаны друг с другом с помощью компьютера, что позволило бы достиг-
нуть чувствительности системы намного выше, чем у любого существующего
телескопа. Такая система была бы способна «поймать» обычные радиопередачи
цивилизации, удаленной от нас на несколько сотен световых лет.
собны обнаружить радиоволны от иной цивилизации (с таким
же, как на Земле, уровнем электромагнитного шума) с расстоя-
ния менее 100 световых лет. Конечно, на двустороннюю связь на
таких расстояниях не хватит нашей жизни. Однако, может быть,
нам удастся просто «подслушать» каких-нибудь разумных кос-
мических соседей, которые, возможно, ведут радиопередачи1.
1 О проблеме возникновения жизни в Солнечной системе см: Мухин Л.Н.
Планеты и жизнь-М.: Молодая Гвардия, 1980; о проблемах жизни во Вселен-
ной рассказано в книге: Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум.-М.: Наука,
1913-Прим. ред.
В БЕСКОНЕЧНОЕ БУДУЩЕЕ
17
Вот так кончается мир,
Не грохоча, лишь всхлипывая.
Т. С. Элиот
Кто-то сказал-мир исчезнет в огне,
Кто-то сказал, что во льдах.
Но больше по вкусу пришлось бы мне
Мнение тех, кто считает-в огне.
Роберт Фрост
В своем обзоре эволюции Вселенной мы подошли к настоящему
времени, и вполне естественно, что нам интересно знать, что
ждет Вселенную в будущем. Будет ли Вселенная расширяться
вечно? На этот вопрос скорее всего следует ответить положи-
тельно. К подобному выводу можно подойти различными путя-
ми. Конечно, как это часто бывает в астрономии, мы не имеем
возможности проводить в «космической лаборатории» точные
эксперименты при тщательно контролируемых условиях. И ни
один из наших аргументов нельзя возводить в ранг закона. Тем
не менее можно утверждать, что в настоящее время центр тяже-
сти всей совокупности наблюдательных данных смещен в сторо-
ну открытой модели бесконечной Вселенной, которая будет рас-
ширяться беспредельно. Поэтому сначала мы соберем воедино
все аргументы в'пользу открытой модели Вселенной, а затем
остановимся на некоторых данных, которые, на наш взгляд, мог-
ли бы свидетельствовать и в пользу закрытой модели Вселенной
[21].
ПЛОТНОСТЬ МАССЫ ВСЕЛЕННОЙ
Самый очевидный способ сделать выбор между открытой и за-
крытой моделями Вселенной-измерить среднюю плотность ве-
щества. В главе 5 мы видели, что противоборство между силами
тяготения и расширением Вселенной описывается довольно про-
стым уравнением Фридмана. Гравитационное притяжение, на-
правленное к центру произвольной сферы, вырезанной из Вселен-
ной, пропорционально средней плотности вещества. Измеренная
величина постоянной Хаббла (Н) указывает кинетическую энер-
гию расширения сферы. Если современная плотность Вселенной
298
н Большой ззрыь? Пое>£рьмхе; он был
оч^нь{ очин^очень, очень большем"
ниже некой критической величины, при которой расширение
и гравитационное притяжение уравновешены, то гравитация не
может остановить расширение и Вселенная должна быть откры-
той. Критическая плотность, при которой Вселенная должна
быть закрытой, равна
^крит = 3H2/8nG = 5 • 10 “30 г/см3,
где G-ньютоновская гравитационная постоянная.
Эту критическую плотность можно выразить также через
плотность числа атомов:
«крит = 3-10“ 6 атом/см3 = 3 атом/м3.
299
Исследуя Вселенную, мы в действительности обнаруживаем,
по-видимому, существенно меньше вещества, чем его должно бы-
ло бы быть при критической плотности. Конечно, в Млечном
Пути средняя плотность вещества высока (около 10“23 г/см3),
однако это величина плотности только внутри одной из галак-
тик. Если же учесть обширные межгалактические пространства,
то средняя плотность светящегося вещества во Вселенной оказы-
вается намного ниже. Типичное расстояние между галактиками
типа Млечного Пути около 10 млн. световых лет. В плоскости
галактики Млечный Путь составляет в поперечнике около
100000 световых лет и, возможно, всего лишь 0,1 этого размера
в перпендикулярном направлении. Следовательно, всего лишь
примерно 1 часть из 100 млн. частей объема пространства запол-
нена звездами. Путем такого рассуждения мы получаем, что
средняя плотность составляет примерно 10~31 г/см3, т. е. около
2% от критической величины.
Подобная оценка звездной, или светящейся, компоненты
плотности массы дает лишь нижний предел фактической средней
плотности вещества во Вселенной. Мы уже видели, что вращение
спиральных галактик, таких, как Андромеда, измеряется до рас-
стояний в 100000 световых лет от центра галактики; это говорит
о том, что значительное количество массы должно находиться во
внешних областях (или гало) галактики. Гало содержат несветя-
щуюся массу, вероятно, либо в виде очень маломассивных звезд,
либо в виде сколлапсировавших остатков массивных звезд.
Более реальную оценку фактической плотности вещества во
Вселенной мы получим, вычислив количество темной массы. По
измерениям динамики вращения галактик мы можем узнать их
полные массы. Напомним, что эффективное отношение масса-
светимость для галактик составляет 30 солнечных масс/солнеч-
ная светимость, что существенно превышает среднюю величину
этого отношения, равного примерно 10 солнечных масс/солнеч-
ная светимость для ярких областей спиральных и эллиптических
галактик. Исследование пар движущихся относительно друг дру-
га галактик указывает на возможное присутствие еще большего
количества темного вещества на более удаленных расстояниях.
Однако даже при учете этой скрытой массы плотность массы во
Вселенной должна быть на порядок больше, чтобы удовлетво-
рить закрытой модели Вселенной.
Отсюда можно заключить, что те плотности масс, которые,
как предполагается, существуют в галактиках или даже в скопле-
ниях галактик, явно недостаточны, чтобы Вселенную можно бы-
ло считать закрытой. Конечно, нельзя исключать возможность
существования массы, которая однородно распределена по всему
пространству. Наши оценки плотности ничего не говорят о вкла-
де такой компоненты в среднюю плотность массы. Однородно
распределенная масса почти не должна была бы влиять на дина-
мику галактик или скоплений галактик. Мы можем лишь
300
строить догадки о возможных свойствах подобной массы. Тот
факт, что в нескольких богатых скоплениях галактик измеренное
отношение масса-светимость составляет примерно 200 солнеч-
ных масс/солнечная светимость, говорит о присутствии вещества
с очень высоким отношением масса-светимость. Но такие скоп-
ления не дают большого вклада в полную плотность массы Все-
ленной. До сих пор еще не удавалось обнаружить богатых скоп-
лений галактик с отношением масса - светимость выше 1000.
Однако количество вещества, необходимое, чтобы Вселенную
можно было считать закрытой, должно иметь отношение мас-
са-светимость, равное 1000 солнечных масс/солнечная свети-
мость. Ни одна из известных звезд или галактик не имеет такого
отношения масса-светимость. Предположим, что эта скрытая
масса могла бы существовать в виде массивных планет (типа
Юпитера) или сколлапсировавших остатков звезд. Но и это ка-
жется маловероятным, поскольку скрытая масса, необходимая
для замкнутости Вселенной, должна быть распределена более
однородно, чем галактики. Как массивные планеты, так и скол-
лапсировавшие звезды, безусловно, должны быть как-то связаны
с галактиками; возможно, они могли бы образоваться на ранних
стадиях эволюции этих галактик.
Наиболее вероятно, что космологическая скрытая масса суще-
ствует в форме газа, оставшегося после эпохи образования га-
лактик. Астрономы предприняли усиленные поиски межгалакти-
ческого газа. Возможность обнаружения этого газа во многом
зависит от его температуры. Если газ холодный, то обнаружить
его было бы легко, но мы наблюдаем слишком мало холодного
межгалактического газа, чтобы он мог давать вклад в скрытую
массу. В межгалактическом пространстве могут присутствовать
большие количества газа, но только в том случае, если газ очень
горячий. Такой газ должен сильно излучать в ультрафиолетовом
и рентгеновском диапазонах. Астрономы обнаружили некоторые
свидетельства существования однородного и изотропного фона
космического диффузного рентгеновского излучения, и неко-
торые из них считают, что это излучение испускается межгалак-
тичесим газом с температурой 500 млн. К. Если эта интерпрета-
ция верна-пока она выглядит весьма спорной,-то Вселенная мо-
гла бы содержать в виде горячего газа такое количество скрытой
массы, которое было бы почти достаточно, чтобы Вселенная бы-
ла закрытой. Газ мог бы быть более холодным, но ионизо-
ванным.1 К счастью, помимо рассмотренных существуют другие,
косвенные способы определения плотности массы. К ним, в част-
ности, относится измерение кривизны пространства.
1 «Скрытая масса» во Вселенной может существовать в форме реликтовых
нейтрино, оставшихся от эпохи Большого взрыва. Суммарная масса этих нейт-
рино может оказаться достаточной для того, чтобы Вселенная стала закрытой,
если опыты физиков подтвердят, что нейтрино имеют отличную от нуля массу
покоя.- Прим. ред.
301
КРИВИЗНА ПРОСТРАНСТВА
Существует совершенно другой способ определения плотности
массы, который позволяет нам сделать выбор между открытой
и закрытой моделями Вселенной. В принципе можно непосред-
ственно измерить кривизну пространства. Следует напомнить
один важный момент: в ближайших к нам областях, таких, как
Солнечная система или даже Галактика, пространственная кри-
визна совершенно ничтожна, за исключением ближайших окрест-
ностей черных дыр, которые могут присутствовать неподалеку.
Только в самых больших масштабах наблюдаемой Вселенной
кривизна становится существенной. При определении истинных
расстояний до все более удаленных галактик эффекты кривизны
пространства начинают играть все более важную роль.
Предположим, что все самые слабые галактики, для которых
мы еще можем определить красные смещения, имеют одинако-
вую собственную светимость. Тогда, измеряя их видимую звезд-
ную величину, можно надеяться выявить эффекты кривизны
(рис. 122). В пространстве с положительной кривизной галактики
с определенной данной скоростью удаления от нас (т. е. с опреде-
ленным красным смещением) должны были бы находиться на
меньших видимых расстояниях, чем в плоском пространстве.
Подобный эффект мы могли бы наблюдать, пытаясь распрямить
фигуру, нарисованную на сфере: ребра, изображенные на сфере,
при этом изгибались бы, искажались и стягивались ближе друг
к другу. В пространстве с отрицательной кривизной галактики
с тем же красным смещением были бы более удаленными.
В этом случае аналогией может служить попытка распрямить
фигуру, нарисованную на седлообразной поверхности,-ее ребра
при распрямлении будут растягиваться. Таким образом, при дан-
ном значении красного смещения видимая звездная величина га-
лактики будет наименьшей в закрытой вселенной и наибольшей
в открытой вселенной. При красном смещении 1 -что близко
к наибольшему красному смещению, измеренному у галактик,—
галактики в открытой и закрытой вселенных различаются при-
близительно на одну звездную величину. Это соответствует от-
личию по яркости примерно в два раза. При данном красном
смещении галактика должна была бы казаться ярче, если бы Все-
ленная была закрытой. Однако типичные галактики с таким
красным смещением, которые удается видеть, должны быть
очень слабыми. Если такие галактики подобны ближайшим
к нам галактикам, то они должны быть едва заметны на фото-
пластинках, снятых с помощью самых больших телескопов.
ГАЛАКТИКИ
КАК КОСМИЧЕСКИЕ ЗОНДЫ
Фактически известно всего несколько далеких галактик, красные
смещения которых достаточно велики и которые, как было заме-
302
чено в нескольких случаях, существенно ярче, чем предел чув-
ствительности хорошей фотопластинки. Очевидно, эти галактики
не могут рассматриваться как стандартные свечи. Иногда мы
видим далекие галактики существенно более яркими, чем можно
было бы ожидать даже в закрытой вселенной, если бы эти галак-
тики были похожи по своей светимости на ближайшие к нам
галактики.
Предполагается, что причины этого нужно искать в эволю-
ции. Далекие галактики мы видим молодыми, и тогда они могли
быть намного ярче. Эволюция галактик-процесс сложный. В на-
чале галактики содержат много молодых массивных и ярких
звезд, со временем от ранних эпох остаются лишь менее мас-
сивные и более долгоживущие звезды. В некотором количестве
молодые звезды продолжают образовываться, но темп их обра-
зования сильно падает. В результате молодые галактики, по-ви-
димому, являются очень яркими, а затем постепенно с возрастом
их яркость уменьшается.
Поскольку далекие галактики ярче, чем ожидалось, видимые
расстояния до них оказываются заниженными, что в свою оче-
редь дает завышенную плотность галактик. Поэтому Вселенная,
возможно, кажется нам закрытой в большей степени, чем это
есть на самом деле. Учет эффектов эволюции галактик повышает
оценки расстояний, соответственно понижая оценки плотности,
и приводит к выводу о том, что Вселенная более открыта, чем
можно было бы предположить на основании упрощенного теста
красное смещение-видимая звездная величина. В предположении,
что сам свет от далеких галактик никаких эволюционных измене-
ний не испытывает, соотношение между красным смещением
и видимой звездной величиной, по-видимому, указывает на то,
что пространство имеет отрицательную кривизну. Отсюда, как
нам кажется, мы вправе сделать вывод, что Вселенная является
открытой. Однако у нас нет полной уверенности, что наши пред-
ставления об эволюции галактик отвечают действительности.
Вполне возможно, например, что самые яркие галактики в дале-
ком прошлом были более тусклыми, по крайней мере в видимой
части спектра. Такая возможность вытекает из процесса «пожи-
рания» галактик. Если галактики проглатывали своих более мел-
ких соседей в богатом скоплении, то они должны были бы расти
и с течением времени становиться более яркими. В таком случае
наши оценки расстояний до далеких галактик оказались бы за-
вышенными. Соответствующая поправка перетягивала бы чашу
весов в сторону закрытой модели Вселенной.
Ученые не теряют надежды, что в конце концов удастся опре-
делить одновременно и характер эволюции галактик, и простран-
ственную кривизну пространства. Чтобы добиться этого, необхо-
димо провести измерения соотношения красное смещение-види-
мая звездная величина совместно с другими типами космологи-
ческих тестов, включающих далекие галактики. Весьма обещаю-
303
Рис. 122. Тест красное смещение-звездная величина
Зависимость красного смещения (правая вертикальная ось), которое можно так-
же выразить через скорость, умножив его на скорость света (левая вертикальная
ось), от видимой звездной величины (горизонтальная ось) или от яркости-соб-
ственная яркость служит мерой расстояния,-далеких галактик. Для галактик по-
ля (а) пропорциональность между скоростью и расстоянием почти незаметна,
поскольку собственные светимости их при любом заданном красном смещении
изменяются в широком диапазоне значений. Однако если использовать ярчай-
шие члены скоплений галактик (6), то обнаруживается линейная зависимость ме-
жду скоростью (или красным смещением) и расстоянием (закон Хаббла). Пря-
моугольник в левом нижнем углу диаграммы указывает ту область параметров,
на основании которой в 1929 г. Хаббл впервые сформулировал закон разбегания
галактик. Отклонения от прямой линии указывают на то, что пространство мо-
жет быть неевклидовым и либо открытым, либо закрытым. На кривых (в), пред-
сказываемых различными космологическими моделями Фридмана-Леметра, от-
мечены значения отношения средней плотности к критической, при которой
Вселенная должна быть закрытой. Кривая S.S соответствует модели стационар-
ной вселенной, она заметно выходит за пределы наблюдаемых значений, если не
учитывать сильных эволюционных эффектов, однако учет их в принципе проти-
воречит основным положениям модели стационарной вселенной. Таким обра-
зом, если мы увидим, что ряд точек (представляющих наблюдаемые скопления)
уходит вверх и влево, то это должно означать, что Вселенная закрыта. Если точ-
ки уходят вправо, то Вселенная открыта.
в
Рис. 123. Тест, основанный на подсчете числа источников
радиоизлучения
Число источников радиоизлучения с интенсивностью выше определенного уров-
ня (относительно того числа, которое ожидается в бесконечной стационарной
вселенной) отложено в зависимости от величины потока излучения. Если бы все-
ленная была статической, то эта зависимость была бы представлена горизон-
тальной прямой линией. Это означает, что число источников растет с увеличе-
нием исследуемого объема пространства; в этом случае ожидается, что число
источников растет пропорционально потоку в степени — 3/2. Наличие красного
смещения должно привести к заметному уменьшению ожидаемого числа источ-
ников. На рисунке приведены зависимости, соответствующие моделям стацио-
нарной вселенной и вселенной Эйнштейна-де Ситтера (без учета эволюционных
эффектов). Фактически для ближайших ярких источников предсказываемая тео-
рией зависимость совпадает с наблюдаемой, затем число более слабых источни-
ков начинает резко увеличиваться по сравнению с тем, что предсказывает закры-
тая модель Вселенной, и, наконец, число самых слабых источников падает.
Избыток числа источников можно объяснить эволюцией, в частности более вы-
соким темпом образования источников радиоизлучения в ранние эпохи расши-
рения Вселенной (соответствующие красным смещением 3 или 4). Модель ста-
ционарной вселенной не в состоянии объяснить эти результаты наблюдений,
поскольку возможность какой бы то ни было эволюции здесь в принципе ис-
ключается. Аналогичный тест можно провести с оптическими галактиками, об-
наружимыми на фотографических пластинках, подсчитывая их число как функ-
цию их яркости. Есть надежда, что рано или поздно этот тест позволит нам
получить информацию об эволюции галактик, наблюдаемых в оптическом диа-
пазоне длин волн.
щим кажется подход, основанный на подсчетах слабых галактик
в некотором выбранном участке неба (рис. 123). С понижением
порога яркости число галактик при таких подсчетах увеличивает-
ся. Подсчет более слабых галактик соответствовал бы выбору
большего объема пространства; при этом, как ожидается, число
306
галактик должно расти пропорционально выбранному объему
пространства. Как мы видели ранее, простая пропорциональ-
ность может иметь место только в том случае, если галактики
распределены однородно и пространство является плоским (ев-
клидовым). Учет космологического расширения и кривизны про-
странства вносит поправки в это предсказание. Однако было об-
наружено, что тест по подсчету галактик существенно более
чувствителен к эффектам эволюции галактик, чем к выбору кос-
мологической модели.
Это, в частности, обусловлено тем, что решающим фактором
при обнаружении далекой галактики является ее яркость по срав-
нению с яркостью фона ночного неба. Мы можем различить изо-
бражение галактики на фотопластинке даже в том случае, если ее
яркость составляет всего лишь малую долю от яркости ночного
неба. Поскольку яркость галактики определяется полным количе-
ством света, приходящего от нее, весьма важно установить эф-
фективный край галактики. Поверхностная яркость галактики от-
носительно фона неба определяет ее эффективную внешнюю
границу. Этот эффект не зависит от космологической модели,
а определяется только красным смещением галактики. Конечно,
от выбора конкретной космологической модели зависит опреде-
ление объема пространства, за пределами которого выбраны га-
лактики. И тем не менее в конечном счете тест подсчета числа
галактик сравнительно нечувствителен к выбору космологиче-
ской модели.
Главную роль в нем играют эволюционные эффекты. Допу-
стим, например, что в гало молодых галактик происходили
всплески звездообразования. Косвенные соображения ранней эво-
люции галактик приводят нас к мысли, что этот процесс - явле-
ние частое. Следствием такого события должно было бы явиться
увеличение видимого углового размера галактик, увеличение их
светимости и обнаружение большего числа галактик с заданной
видимой величиной. В таком случае мы могли бы обнаружить
более далекие галактики, которые при отсутствии такого процес-
са были бы не видны.
В самом деле, тест по подсчету числа галактик в высшей
степени чувствителен к эволюции галактик. Из подсчетов числа
галактик, видимые звездные величины которых в различных
областях спектра ниже предельных, можно было бы получить
более детальную информацию об эволюции галактик. Например,
если бы нам удалось определить, являются ли в ранние эпохи
молодые голубые звезды более многочисленными, чем старые
красные звезды, то мы получили бы ключ к определению возра-
стов галактик. Разумно предположить, что, подобно тому как
тест по подсчету числа радиоисточников дает нам информацию
об эволюционных эффектах в радиоисточниках, тест по подсчету
числа галактик позволит нам узнать эволюционную историю
обычных галактик.
Ч‘	307
КВАЗАРЫ
КАК КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ЗОНДЫ
Группа астрономов из Ликской обсерватории в Калифорнии вы-
двинула идею использовать квазары для зондирования Вселен-
ной. На первый взгляд эта идея кажется весьма сомнительной,
поскольку, как мы видели в гл. 12, если галактики эволюциони-
руют со временем, то квазары должны эволюционировать значи-
тельно быстрее. Частота, с которой они встречаются, и, возмож-
но, их собственная светимость резко возрастают к более ранним
эпохам Вселенной, и по своим свойствам квазары сильно отли-
чаются друг от друга. Безусловно, такие эффекты существенно
помешали бы любой попытке использовать квазары в качестве
«стандартных свечей».
Так оно и было в действительности, пока астрономы из Ка-
лифорнии не нашли способы калибровки квазаров и определения
их собственной светимости. Ученые обнаружили, что интенсив-
ность определенных эмиссионных линий в спектрах квазаров до-
статочно хорошо коррелирует с абсолютной яркостью этих
объектов. Таким образом, по-видимому, квазары могут быть
в большей степени пригодны для зондирования кривизны про-
странства, чем галактики. Поскольку квазары обладают гораздо
большими светимостями, чем галактики, мы можем наблюдать
их при больших красных смещениях, и потенциально они могут
служить очень важным зондом. Первые попытки применить этот
метод, казалось, привели к мысли, что следует отдать предпочте-
ние закрытой модели Вселенной; однако роль эффектов, свя-
занных с эволюцией светимости квазаров, остается здесь весьма
неопределенной. Вполне возможно, что если результаты, полу-
ченные этим методом зондирования, откорректировать с учетом
эволюционных эффектов в квазарах, то нам придется отдать
предпочтение открытой модели Вселенной.
ДЕЙТЕРИЙ И ПЛОТНОСТЬ МАССЫ
Как мы уже говорили в гл. 7, количество дейтерия, произведен-
ного в момент Большого взрыва, критическим образом зависит
от плотности вещества в период протекания ядерных реакций.
Если принять закрытую модель, то плотность вещества во Все-
ленной в момент, когда ее возраст составлял примерно минуту,
должна была быть достаточно высокой. В эту эпоху мог проис-
ходить синтез дейтерия. Высокая плотность приводила бы к вы-
горанию дейтерия, и в результате к последующим эпохам дейте-
рия почти совсем не оставалось бы. Если в эпоху ядерного
синтеза плотность вещества была достаточно низкой, как это
следует из открытой модели Вселенной, то к моменту, когда на-
чался синтез гелия, должно было сохраниться количество первич-
308
ного дейтерия, достаточное, чтобы объяснить наблюдаемое се-
годня содержание дейтерия. Трудно представить, каким образом
мог бы синтезироваться дейтерий в какой-либо астрофизической
среде в иные периоды, чем в первые минуты после Большого
взрыва. В звездах, например, дейтерий только уничтожается
в процессах ядерных реакций. Невозможность объяснить про-
изводство дейтерия какими-либо иными механизмами, отличны-
ми от Большого взрыва, является веским аргументом в поддерж-
ку теории космологического происхождения дейтерия. Это
подразумевает, что Вселенная открыта.
Однако, хотя открытая модель Вселённой объясняет про-
изводство достаточного с точки зрения теории количества дейте-
рия, она является не единственной моделью, способной на это.
В рамках простой закрытой модели действительно не удается
объяснить синтез достаточного количества дейтерия. Однако ес-
ли в этой модели учесть более сложные варианты ранней эволю-
ции Вселенной, то можно было бы получить условия среды, бла-
гоприятные для синтеза и выживания дейтерия. Предположим,
например, что очень ранняя Вселенная - минуту или менее того
спустя после Большого взрыва-была в высшей степени хаотиче-
ской и турбулентной. Эта турбулентность могла принимать фор-
му крупномасштабных сдвиговых движений. В этом случае темп
расширения Вселенной должен был бы ускоряться. Отсюда,
в частности, следует, что плотность в эпоху синтеза дейтерия па-
дала бы настолько быстро, что время, в течение которого она
была высокой, было бы слишком коротким, и даже если бы Все-
ленная была закрытой, дейтерий не успел бы разрушиться пол-
ностью. Основная часть дейтерия в таком случае могла бы со-
храниться. После этого по мере дальнейшего расширения
Вселенной сдвиговые движения могли быстро затухать. (Такие
гипотетические движения в настоящее время, конечно же, не на-
блюдаются.) Поэтому - с некоторой вероятностью - закрытая все-
ленная могла бы содержать значительное количество первичного
дейтерия.
ХАББЛОВСКОЕ РАСШИРЕНИЕ
Были выдвинуты другие соображения, которые в равной степени
не привели к окончательному выводу о кривизне Вселенной.
Одно из них основывается на изучении хаббловского разбегания
галактик в окрестности нашего местного сверхскопления. Центр
этой системы расположен в скоплении галактик Девы. Местная
неоднородность, возможно, простирается на 100 млн. световых
лет. Скопление галактик Девы в свою очередь является цент-
ральным максимумом в распределении галактик в некоторой
области размером около 5 млн.световых лет. Один из эффектов,
связанных с этой локальной концентрацией галактик, состоит
309
в небольшом замедлении общего хаббловского темпа расшире-
ния. Поскольку имеется локальный избыток массы, а следова-
тельно, и избыток гравитации, галактики разбегаются с меньшей
скоростью, чем это должно было происходить в отсутствие мест-
ного сверхскопления.
Величина этого замедления зависит от космологической мо-
дели. Рассмотрим Вселенную с критической плотностью. Ясно,
что любой сколь угодно малый локальный избыток массы нару-
шит точный баланс между гравитацией и расширением и приве-
дет к меньшим скоростям разбегания галактик в этой локальной
области. Однако в открытой модели Вселенной энергия расшире-
ния должна сильно превышать гравитационную энергию. Малые
повышения локальной плотности в этом случае слегка увеличи-
вали бы гравитационную энергию, но не приводили бы к замет-
ному замедлению темпа разбегания каких-либо галактик. Галак-
тики попросту не испытывали бы сколько-нибудь заметного
действия гравитационной силы и разбегались бы свободно. Толь-
ко очень большая локальная неоднородность создавала бы до-
статочную силу, чтобы замедлить галактики внутри локальной
области в открытой вселенной.
К сожалению, наши расчеты красных смещений и расстояний
до многих далеких галактик настолько приближенны, что пока
мы не можем делать каких-либо однозначных выводов. Имеются
некоторые экспериментальные указания на то, что связанный
с расширением локальный поток галактик вокруг нас является
однородным и не искаженным; это, по-видимому, говорит в
пользу открытой модели Вселенной. Однако до сих пор нам не
удалось изучить достаточно глубокие области пространства, по-
этому окончательно не известно, существенно или нет замедле-
ние локального хаббловского темпа расширения за счет гравита-
ции, и, следовательно, мы не можем с определенностью сказать,
открыта или закрыта Вселенная.
БУДУЩЕЕ ОТКРЫТОЙ
И ЗАКРЫТОЙ ВСЕЛЕННЫХ
Тем не менее из всех этих разнообразных тестов мы можем сде-
лать вывод, что на сегодня наблюдательные данные скорее сви-
детельствуют в пользу открытой модели Вселенной. Привер-
женцы же закрытой модели Вселенной, по-видимому, «загнаны
в угол». Они столкнулись с одной непреодолимой трудностью.
Если Вселенная закрыта, то в какой форме существует скрытая
масса?1 Конечно, человеческая изобретательность способна пре-
одолеть и это препятствие, но при отсутствии наблюдательных
данных любые предположения на этот счет выглядят неубеди-
1 См. прим. ред. на с. 301.
310
тельными. Если скрытая масса абсолютно ненаблюдаема, то все
дозволено. Предположения о форме существования скрытой
массы могут быть самыми разнообразными - от снежинок до
камней, планет, черных дыр и даже лишних номеров «Астрофи-
зического журнала». Но только одна форма ее может рассматри-
ваться всерьез-это плотный, горячий межгалактический газ, воз-
можно достаточно горячий, чтобы его можно было обнаружить
по рентгеновскому излучению. Такой газ вполне бы мог созда-
вать диффузный рентгеновский фон, и плотность этого газа мо-
гла бы быть достаточно высокой, чтобы Вселенную можно было
считать почти закрытой. Однако диффузное рентгеновское излу-
чение можно объяснить и другими способами; особого внимания
заслуживает гипотеза, согласно которой рентгеновский фон соз-
дается большим числом неразрешенных внегалактических рент-
геновских источников.
Итак, в настоящее время из двух возможных моделей пред-
почтение отдают открытой модели Вселенной. К сожалению, бу-
дущее открытой вселенной явно непривлекательно. Галактикам
в такой Вселенной суждено погаснуть, а звездам сгореть дотла
и никогда не загореться вновь. Гравитация не может препятство-
вать расширению такой Вселенной, и гравитационные силы ста-
новятся несущественными на самых больших масштабах. Про-
странство становится все более черным, пустота между скопле-
ниями галактик - все более глубокой. По мере истощения запасов
ядерной энергии вещество все в меньшей степени может проти-
востоять гравитации в гравитационно связанных системах. Га-
лактики и, в конце концов, даже большие скопления будут кол-
лапсировать, образуя гигантские черные дыры. В итоге вещество
становится чрезвычайно холодным, достигая абсолютного нуля
температуры. Все «жизненные силы» в такой вселенной постепен-
но ослабевают и замирают, пока наконец не наступит состояние
абсолютного покоя и неизменности. Бесконечное пространство,
холод и мрак, будущее без перемен-вот неизбежный удел от-
крытой вселенной. Конечно, пройдут еще миллиарды и мил-
лиарды лет, прежде чем эта участь постигнет Вселенную, но тем
не менее она неизбежна, если Вселенной суждено расширяться
вечно.
В закрытой модели у Вселенной, следует признать, судьба яв-
но более светлая. Галактики могут гаснуть, но, пока имеется ка-
кой-то запас межгалактического газа, могут образовываться
новые галактики. Гравитационные силы продолжают играть
важную роль. В любой области пространства гравитационное
самопритяжение вещества превышает и в итоге подавляет рас-
ширение. Излучение от галактик пополняет мерцающий слабый
свет, и Вселенная сохраняет тепло. Достигнув некоторого конеч-
ного размера, Вселенная в конце концов начнет сжиматься. При
коллапсе Вселенной и вещество, и излучение в ней сжимаются
и уплотняются. Температура излучения при сжати повышается.
311
Рано или поздно галактики вновь начинают сталкиваться и раз-
рушать друг друга. Столкновения происходят и между звездами.
В ходе неудержимого, непрекращающегося сжатия, которое было
образно названо «Большим сжатием», вся структура Вселенной
разрушается. Вселенная коллапсирует, превращаясь в плотный,
горячий «бульон» из сжатого вещества. Этот процесс будет про-
должаться беспредельно, пока Вселенная не сожмется в бесконеч-
но малый объем с бесконечной плотностью. Если Вселенная за-
крыта, то все это случится в пределах примерно 20 млрд. лет.
Что происходит, когда «Большое сжатие» выходит за пре-
делы наших сегодняшних физических представлений? Общие
соображения о структуре вещества в применении к этой модели
указывают на то, что в будущем Вселенную ожидает сингуляр-
ность-возврат в состояние с бесконечной плотностью, подобное
тому, что предшествовало Большому взрыву. Закрытая модель
Вселенной предусматривает сингулярность - состояние с беско-
нечной плотностью-как в прошлом, так и в будущем. Посколь-
ку все наши физические представления неприменимы к таким эк-
стремальным условиям, мы можем лишь строить догадки о том,
что последует за этой сингулярностью.
Высказывается гипотеза, хотя и ничем не подтвержденная,
что если Вселенная закрыта, то она должна испытать отскок
и вновь начать расширяться. В таком случае Вселенной пред-
стоит повторить полностью весь цикл Большого взрыва, и снова
в ней образуются галактики и звезды. Однако здесь следует до-
бавить одно: излучение, выработанное звездами в предыдущем
цикле Большого взрыва, должно, по-видимому, также присут-
ствовать в этой «новой» Вселенной. Мы можем постулировать
целый ряд следующих друг за другом циклов расширения и сжа-
тия, и в каждом цикле в результате образования звезд и галактик
должно вырабатываться все больше излучения. В фазе состояния
с высокой плотностью (при сжатии) это излучение поглощается
и переизлучается многократно, теряя все следы каких-либо ха-
рактерных длин волн или каких-либо спектральных деталей.
В итоге оно приобретает характер равновесного излучения. По-
скольку мы измеряем конкретное количество космического рав-
новесного излучения в общем фоновом излучении, мы приходим
к выводу, что закрытая вселенная может испытать лишь конеч-
ное число повторяющихся отскоков. В противном случае в тече-
ние более ранних циклов расширения должно было возникнуть
слишком много излучения.
Число предшествовавших отскоков, вытекающее из этого
ограничения, невелико и равно отношению интенсивности тепло-
вого фонового излучения к среднему потоку звездного света от
далеких галактик. По сравнению со светом Млечного Пути свет
от далеких галактик дает незначительный вклад в яркость ночно-
го неба. Однако число далеких галактик огромно. Излучение от
312
Рис. 24. Космический телескоп
2,4-метровый телескоп, который должен быть запущен в космос на косми-
ческом корабле серии «Спейс Шаттл» в 1984 г., станет более или менее
постоянной обсерваторией в космосе
далеких галактик фактически охватывает все небо, но его яркость
составляет при этом всего лишь около 1% яркости Млечного
Пути. Этого недостаточно, чтобы можно было обнаружить свет
далеких галактик даже в самые темные ночи. Оказалось, что ин-
тенсивность космического фонового излучения примерно равна
интенсивности света от Млечного Пути. Конечно, не следует за-
бывать, что фоновое излучение приходится на диапазон радио-
волн и невидимо человеческим глазом. Если мы предположим,
что каждый предшествующий цикл расширения приводит к гене-
рации такого же количества света, какое создается в сегодняшней
Вселенной, то получим, что в прошлом могло произойти около
100 циклов расширения и сжатия Вселенной. Большее число цик-
лов (например, бесконечная их последовательность) можно ис-
ключить на основе этого аргумента. Однако скептик вправе
усомниться в логичности такого вывода, основанного на предпо-
ложении, что отскок в самом деле может происходить.
Вполне возможно, что даже закрытая вселенная, периодиче-
ски испытывающая отскок, не способна жить бесконечно, и тогда
закрытая модель Вселенной отчасти теряет свою главную эсте-
тическую привлекательность. Начало времени неизбежно. Мно-
гие космологи из философских соображений отдают предпочте-
ние закрытой модели Вселенной по сравнению с моделью
12 896
313
бесконечного пространства. Однако подобные субъективные при-
страстия не должны играть роли в науке. Ведь в конечном счете
аргументы в пользу открытой модели Вселенной опираются ис-
ключительно на наблюдательные данные.
Астрономия 80-х годов должна способствовать дальнейшему
развитию наших исследований в области наблюдательной кос-
мологии. В перспективе самые большие надежды возлагаются на
новое поколение телескопов. В середине 80-х годов предполагает-
ся создать много астрономических обсерваторий в космосе, цен-
тральное место среди них займет большой космический телескоп
(рис. 124). По земным меркам этот телескоп не так уж и велик
(его апертура будет составлять всего лишь 2,4 м), но темное небо
и отсутствие атмосферного рассеяния фактически означают, что
его чувствительность окажется гораздо выше, чем у самых боль-
ших современных наземных телескопов. Этот телескоп даст воз-
можность исследовать многие далекие галактики с красным сме-
щением 1 или 2, а спектрометрия, проведенная с его помощью,
должна многое сказать об эволюции молодых галактик. Когда
мы сможем понять (или по крайней мере построить модель) эво-
люцию галактик, мы получим возможность беспрепятственно ис-
пользовать далекие галактики для непосредственного измерения
кривизны пространства.
Астрономы также надеются, что со временем и на Земле
удастся построить телескоп гораздо больших размеров-с апер-
турой 10 м или более. Оптический телескоп такого размера тре-
бует внедрения новых технологических приемов; вероятно, он бу-
дет представлять собой не цельную конструкцию, а состоять из
множества более мелких систем, внутренне связанных друг с дру-
гом сложнейшими электронными приспособлениями.
Среди других возможных космических проектов большое зна-
чение может иметь создание совершенно нового рентгеновского
телескопа в космосе. Его основная задача - выяснить происхо-
ждение диффузного рентгеновского фона, что чрезвычайно важно
для оценки средней плотности вещества во Вселенной. Есть осно-
вания надеяться, что в следующее десятилетие нам удастся со-
брать достаточно наблюдательных данных, чтобы окончательно
решить эту проблему. Сегодня по-прежнему мы не рискуем сде-
лать выбор в пользу открытой модели Вселенной, но ее шансы,
по-видимому, возрастают.
18
АЛЬТЕРНАТИВЫ ТЕОРИИ
БОЛЬШОГО ВЗРЫВА
Мы не прекратим наших исследований,
Конец нашим поискам наступит тогда,
Когда придем к тому, с чего начали,
И будем знать, где это произойдет с самого начала.
Т.С. Элиот
Теория Большого взрыва не претендует на роль единственно
возможного описания Вселенной. Однако она действительно
дает удовлетворительную схему для объяснения многого из того,
что наблюдают астрономы. На ее основе делались предсказания,
которые впоследствии подтверждались экспериментами и наблю-
дениями. Сегодня большинство космологов принимают космо-
логическую теорию Большого взрыва в качестве описания до-
ступной нам Вселенной вплоть до эпохи ядерного синтеза, когда
возраст Вселенной составлял около одной минуты.
Тем не менее, когда речь идет о более ранних моментах суще-
ствования Вселенной, эта теория выходит за пределы области,
доступной современной физике. Кроме того, даже самые предан-
ные сторонники этой теории не могут сказать, что она в состоя-
нии объяснить все, что нам необходимо знать о Вселенной. Тео-
рия Большого взрыва еще не разрешила три фундаментальных
проблемы: что было до начального момента, какова природа
сингулярности и каким образом формировались галактики? Что
касается первой из этих проблем, то, как говорил св. Августин,
до «творения» существовал ад для тех, кто задает такие щекот-
ливые вопросы. Сегодня принято считать, что современное рас-
ширение-это один из многих циклов, через которые проходит
закрытая вселенная. Если это так, то неизбежно возникает дру-
гой вопрос: каким образом одна фаза сжатия переходит в после-
дующую фазу расширения? Почему Вселенная столь изотропна
и всегда ли она была такой в прошлом? Как возникли на-
чальные флуктуации, из которых образовались галактики, или
такие флуктуации присутствовали всегда? Чтобы избежать этих
вопросов, которые, вероятно, неразрешимы в рамках сегодняш-
ней физики, космологи пытались найти альтернативные описания
Вселенной. В этой главе мы остановимся на некоторых из тео-
рий, отличных от теории Большого взрыва, попытаемся наме-
тить пути решения оставшихся неразрешенными фундамен-
тальных проблем.
12*
315
КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕОРИИ,
УЧИТЫВАЮЩИЕ СТАРЕНИЕ СВЕТА
Модель расширяющейся Вселенной как в наблюдательном, так
и в теоретическом аспекте, несомненно, явилась важнейшим
вкладом двадцатого столетия в космологию. Эта концепция по-
служила основой для многих других важных идей и открытий.
И все же неотвязная мысль не дает покоя-не идем ли мы по со-
вершенно ложному пути? Может быть, мы живем в статической
Вселенной?
В принципе красное смещение света можно объяснить совер-
шенно другими причинами, чем доплеровский сдвиг, обуслов-
ленный разбеганием далеких галактик. Одной из причин могло
бы быть старение света: кванты света могли терять энергию
в пространстве на пути от далекой галактики. Уменьшение энер-
гии фотона приводит к увеличению длины волны, т. е. к покрас-
нению света, которое пропорционально пройденному расстоя-
нию. Рассеяние на межгалактической пыли тоже могло бы
вызвать покраснение света от далеких галактик. Однако в на-
стоящее время мы измеряем красные смещения в широком диа-
пазоне длин волн от оптического (5000 А) до радиоизлучения
(21 см). При этом обнаруживается точное соответствие величин
красного смещения в оптическом и радиодиапазонах. Частицы
пыли, как правило, прозрачны для радиоволн, если только их
размеры не одного порядка с длиной волны. Однако вряд ли
можно ожидать, что в пространстве содержится достаточное ко-
личество сгустков межгалактической пыли, которые могли бы за-
метно рассеивать радиоизлучение далеких галактик. Частицы пы-
ли в межгалактическом пространстве сами по себе не могли бы
обеспечить наблюдаемый эффект покраснения. Кроме того, рас-
сеяние должно было бы приводить к уширению спектральных
линий, чего, однако, не наблюдается.
Хотя мы не располагаем ни одним фактором, говорящим
о том, что свет может терять энергию при движении в простран-
стве, можно было бы предположить, что в безграничном межга-
лактическом пространстве наши земные законы физики оказы-
ваются абсолютно неприменимыми. По-видимому, нам остается
только искать способы проверки теории старения света, которая
предсказывает совершенно другие результаты для различных
космологических тестов, о которых шла речь в предыдущей гла-
ве. В частности, согласно этой теории, поток энергии от далеких
галактик должен был бы уменьшаться только на величину, про-
порциональную величине красного смещения. Темп прихода фо-
тонов уменьшился бы на ту же величину, поскольку вселенная,
в которой происходит старение света, является статической
и темп излучения энергии в ней должен совпадать с наблю-
даемым темпом прихода излучения. В стандартных моделях
Большого взрыва учитывается дополнительное уменьшение по-
316
тока энергии, связанное также с красным смещением: расшире-
ние приводит к эффекту временного запаздывания - в нашей си-
стеме отсчета время течет медленнее, чем в системе отсчета,
связанной с далекой галактикой, в результате чего измеряемый
поток энергии уменьшается. В принципе это предсказываемое
различие можно использовать в качестве наблюдательного теста,
хотя подобного рода тесты пока еще нельзя считать решающи-
ми.
На данном этапе космологическая теория, учитывающая ста-
рение света, по-видимому, представляется весьма надуманной
и потому не заслуживающей более подробного обсуждения. Од-
нако, вероятно, преждевременно утверждать, что космологиче-
ские тесты, обсуждавшиеся в гл. 17, или какие-либо другие астро-
номические наблюдения позволяют нам в настоящее время
полностью исключить эту теорию как альтернативу теории
Большого взрыва.
ОБЪЕКТЫ АРПА
Космологические теории, включающие старение света, нельзя
считать удовлетворительными по той причине, что они привле-
кают к рассмотрению новый закон физики; однако можно на-
звать другие попытки обойтись без модели расширения Вселен-
ной, которые основываются на наблюдениях. Американский
астроном Хэлтон Арп, специализирующийся на получении высо-
кокачественных фотографий необычных галактик и квазаров
с помощью 200-дюймового телескопа обсерватории Маунт-Па-
ломар, предложил феноменологическое объяснение происхожде-
ния больших космологических красных смещений. Он обнаружил
ряд систем, связанных еле заметными туманными струями
с объектами, имеющими совершенно другое красное смещение.
Арп представил эти объекты как доказательство того, что крас-
ное смещение, по крайней мере его значительная часть, обусло-
влено внутренней структурой изучаемых объектов, а не расстоя-
нием до них.
Однако большинству астрономов арповские пекулярные
объекты и ассоциации показались неубедительными, поскольку
Арп не располагал данными, по которым можно было бы судить
о статистической надежности его исследований. Насколько тща-
тельно необходимо проводить наблюдения, прежде чем делать
какие-то необычные выводы? Даже в этих, очевидно неор-
динарных, примерах мы не можем с определенностью сказать,
представляет ли собой наблюдаемая слабая туманность очень
протяженный объект, окружающий один из объектов, и мы про-
сто видим ее в проекции на другой объект или же между объек-
тами с сильно различающимися красными смещениями действи-
тельно существует некая уникальная связь. При поверхностном
изучении фотографий далеких галактик часто обнаруживают
317
очень яркие звезды в нашем собственном Млечном Пути, ко-
торые видны в проекции на фоновую галактику. Даже если бы
мы видели эту звезду на самом гребне спирального рукава в да-
лекой галактике, никто не стал бы утверждать, что звезда была
недавно выброшена из этой далекой галактики. Известно, что
подобное наложение проекций иногда случается. По анало-
гичным причинам подавляющее большинство астрономов скеп-
тически относятся к интерпретациям Арпа его фотографий. С вы-
ведением на орбиту большого космического телескопа, возмож-
но, удастся получить спектры, которые помогут решить эту
проблему. Если при измерениях будет получено, что красные
смещения непрерывным образом изменяются вдоль газовой
струи, протянувшейся от галактики с малым красным смеще-
нием до квазара с большим красным смещением, то интерпрета-
цию Арпа придется признать верной.
ТЕОРИЯ СТАЦИОНАРНОЙ
ВСЕЛЕННОЙ
Ранее мы уже называли основную причину появления модели
стационарной вселенной-это попытка избежать возможных
трудностей с временными масштабами. Самая привлекательная
особенность такой вселенной-бесконечная длительность време-
ни. Даже представление о рождении пар частиц было расценено
как достоинство этой модели: безуспешность попыток обнару-
жить интенсивный поток гамма-излучения (который следовало
ожидать при случайной аннигиляции только что родившихся ча-
стиц) предлагалось объяснять тем, что рождение частиц происхо-
дит преимущественно только в плотных ядрах галактик и в ква-
зарах. Это предложение сначала было встречено с энтузиазмом,
поскольку казалось, что оно решает сразу две проблемы: воскре-
шает идею непрерывного рождения вещества и объясняет приро-
ду источников энергии самых активных объектов во Вселенной.
Однако три недостатка модели стационарной вселенной
в конце концов привели к отказу от нее. Во-первых, астрономы
обнаружили, что число слабых радиоисточников существенно
возрастает в зависимости от предельного уровня потока излуче-
ния. Полученное из наблюдений число источников оказалось зна-
чительно выше, чем можно было ожидать в случае их однород-
ного распределения в евклидовом пространстве, а это указывало
на существование сильных эволюционных эффектов на больших
расстояниях. Представление об избыточном числе далеких
слабых источников было принято не всеми. В течение ряда лет
Фред Хойл утверждал, что с равным успехом можно придержи-
ваться гипотезы о дефиците ближайших ярких источников. Одна-
ко в настоящее время кажется очевидным, что источники с боль-
шими красными смещениями, прежде всего квазары, проявляют
318
сильные эволюционные эффекты. В равных объемах простран-
ства содержится тем больше квазаров, чем более они удалены.
Избежать этого вывода можно, лишь ставя под сомнение интер-
претацию красных смещений квазаров как индикаторов космоло-
гических расстояний. Однако с открытием все новых красных
смещений линий поглощения в излучении квазаров эта точка зре-
ния становилась все более уязвимой. Во-вторых, тест красное
смещение - видимая звездная величина, по-видимому, показал
полную нежизнеспособность стационарной модели. И наконец,
открытие космического микроволнового фонового излучения
и тепловой характер его спектра явились убедительным аргумен-
том в пользу существования начальной горячей и плотной фазы
Вселенной. Космологи, которые не принимали теорию Большого
взрыва, не смогли предложить разумной альтернативной интер-
претации фонового излучения.
ГАЛАКТИКИ И АНТИГАЛАКТИКИ
Еще одна попытка обойтись без идеи Большого взрыва была
предпринята шведскими физиками Ханнесом Альфвеном и Оска-
ром Клейном. В своих рассуждениях они основывались на том,
что для космологии фундаментальное значение должна иметь
симметрия между веществом и антивеществом. Согласно их мо-
дели, вначале Вселенная представляла собой гигантскую медлен-
но сжимающуюся сферическую метагалактику из разреженного
газа, которая содержала равные количества вещества и антиве-
щества. Когда плотность стала достаточно высокой, между ве-
ществом и антивеществом произошла аннигиляция (рис. 125).
При аннигиляции возникло огромное количество излучения, ко-
торое нагревало оставшееся вещество и в конце концов остано-
вило его сжатие. Вселенная начала расширяться, и со временем
произошла конденсация галактик. В соответствии с этой теорией
в наблюдаемой Вселенной галактики и антигалактики должны
существовать в сравнимых количествах.
Против космологической модели Алъфвена-Клейна было вы-
сказано много возражений. Во-первых, если принять эту модель,
то непонятно, каков механизм разделения областей вещества
и антивещества. Поскольку известно, что даже в межгалактиче-
ском пространстве содержится какое-то вещество, то галактики
не могли быть полностью изолированы от антигалактик. Альф-
вен предложил возможный механизм разделения областей веще-
ства и антивещества, но астрофизики скептически отнеслись к его
идеям. Во-вторых, должно быть много областей, в которых про-
исходила бы аннигиляция вещества и антивещества. Как извест-
но, в результате аннигиляции должно испускаться большое коли-
чество гамма-излучения высокой энергии, которое было бы
наблюдаемо в космических экспериментах. Астрономы действи-
тельно измерили диффузный космический фон гамма-излучения,
319
Рис. 125. Космологическая модель, включающая вещество
и антивещество
Огромная метагалактика, содержащая равные количества вещества и антивеще-
ства и первоначально очень разреженная, сжимается (а). При определенном зна-
чении плотности начинается аннигиляция (б). Как предполагается, давление из-
лучения, возникающего в процессе аннигиляции, останавливает сжатие
и вызывает общее расширение (в). В это же время собираются облака из веще-
ства и антивещества, которые в конце концов образуют галактики и антигалак-
тики.
но он оказался сравнительно низким. Из этого следует, что в на-
стоящее время аннигиляция происходит очень слабо.
Возможно, самое существенное возражение против этой моде-
ли-существование космического фонового излучения. Как и тео-
рия стационарной вселенной, теория Альфвена - Клейна выну-
ждена приписывать этому излучению некосмологическое проис-
хождение. Более того, высокая степень изотропности этого
излучения свидетельствовала бы о том, что наша Галактика на-
ходится очень близко к центру Метагалактики, не более чем на
0,1% расстояния от него, иначе мы обнаружили бы в фоновом
излучении чрезмерную анизотропию. Это вступает в противоре-
320
чие с космологическим принципом Коперника, согласно которо-
му наше местоположение во Вселенной ничем не выделено. Все
это делает модель Альфвена - Клейна крайне сомнительной.
Возможен, конечно, вариант теории Большого взрыва, в кото-
ром идея о симметрии вещества и антивещества заложена
с самого начала. Подобная модель сталкивается с аналогичными
трудностями, а именно: как в таком случае объяснить отсутствие
соответствующего уровня гамма-излучения, обусловленного ан-
нигиляцией вещества и антивещества? Ключевая же проблема,
возможно, состоит в том, как объяснить, почему в течение фазы
большой плотности в начале расширения не произошла почти
полная аннигиляция Вселенной. Возможность достижения этой
цели остается сомнительной.
ПЕРЕМЕННАЯ ГРАВИТАЦИЯ
Гравитация-самая слабая из сил, действующих во Вселенной.
Отношение силы гравитационного притяжения между электро-
ном и протоном к силе их электростатического притяжения нич-
тожно мало - приблизительно 1О~40. Почему столь малая вели-
чина должна проявляться в законах физики, связывающих эти
две фундаментальные силы? Самое удивительное заключается
в том, что величину того же порядка составляет отношение двух
масштабов времени, а именно отношение времени, которое за-
трачивает свет на прохождение расстояния, равного радиусу про-
тона (в классической модели атома), к хаббловскому масштабу
времени. Это безразмерное отношение тоже приблизительно рав-
но 1О-40. Таким образом, отношение двух фундаментальных сил
и отношение атомного и космического масштабов времени - нич-
тожно малые величины одного и того же порядка. Может ли это
быть всего лишь совпадением?
Поль Дирак, один из основоположников современной кванто-
вой теории, выдвинул в 1937 г. гипотезу, что такое удивительное
совпадение следует рассматривать как один из законов природы.
Но, поскольку постоянная Хаббла должна быть различна в раз-
личные эпохи истории Вселенной, чтобы указанное отношение
поддерживалось неизменным, гравитационная постоянная, по
мнению Дирака, также должна была меняться со временем. Ина-
че говоря, ньютоновская постоянная G должна была быть очень
большой в ранние эпохи жизни Вселенной. Уменьшение постоян-
ной G в течение миллиардов лет могло бы привести к след-
ствиям, весьма существенным для эволюции Солнечной си-
стемы,-например, это означает, что в эпоху, когда образовалась
Земля, Солнце могло бы обладать намного большей свети-
мостью. Самое точное значение предельного темпа изменения
ньютоновской постоянной G, полученное из радиолокации пла-
нет, оказывается почти достаточным, чтобы опровергнуть гипо-
тезу Дирака.
321
Некоторые ученые, исходя из гипотезы Дирака, вместо общей
теории относительности Эйнштейна построили новые теории
гравитации, в которых величина G изменяется со временем. Са-
мая значительная из этих попыток была предпринята в 1961 г.
Карлом Брансом и Робертом Дикке. Теория Бранса-Дикке по-
зволяет сделать ряд интересных предсказаний, причем некоторые
из них поддаются проверке. Наибольший интерес вызывает идея
так называемого двойного пульсара,-пульсара, движущегося по
орбите вокруг звезды-компаньона. Подобный объект может
представлять собой уникальную лабораторию для проверки тео-
рии гравитации, так как по существу периодические всплески ра-
диоизлучения пульсара, свободно падающего в сильном гравита-
ционном поле своего компаньона, представляют собой очень
точные часы. Самые последние наблюдения такой системы, по-
видимому, можно рассматривать как весьма серьезное подтвер-
ждение теории Эйнштейна и опровержение теории Бранса-Дик-
ке.
СЖИМАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ
Возможно, нам стоит посвятить один параграф космологической
модели, которая заставляет вспомнить приключения Алисы
в мире, созданном Льюисом Кэрроллом. Фред Хойл и ДжейенТ
Нарликар высказали мысль, что модель расширяющейся Вселен-
ной по существу неотличима от другой модели, в которой на
самом-то деле уменьшаются атомные расстояния. Согласно этой
гипотезе, пространство неизменно. Галактики не разлетаются
друг от друга, но всё в галактиках, включая нас самих, непрерыв-
но сжимается. Это уменьшение размеров можно понять в рамках
фундаментальных законов физики, если предположить, что
массы элементарных частиц возрастают с характерным време-
нем, равным космологическому. Масса атома растет, однако ве-
личина электрических зарядов не изменяется. Следовательно,
электроны должны двигаться вокруг атомного ядра по орбитам
все меньшего радиуса. Эта ситуация должна соответствовать то-
му, что электрону, чтобы он занял состояние с более высокой
энергией, требуется сообщить большую энергию, и, наоборот,
при захвате электрона на внутреннюю орбиту должно высвобо-
ждаться большее количество энергии. Излучение, испущенное та-
ким атомом, должно было бы обладать большей энергией, т. е.
меньшей длиной волны, чем излучение менее связанного атома.
Соответственно атомы, излучающие свет в галактиках, уда-
ленных по времени, должны быть больше, чем в сегодняшних га-
лактиках. Длина волны этого света также должна быть больше,
т. е. свет, испускаемый такими атомами, должен быть краснее,
чем свет, создаваемый аналогичными атомами в земной лабора-
тории. Таким образом, космологическое красное смещение
объясняется уменьшением размеров атомов.
322
Однако столь искусственно построенную теорию вряд ли
можно считать чем-нибудь иным, кроме как чисто математиче-
ской моделью, не имеющей никакого отношения к действитель-
ности. Эта теория зиждется на гипотезе, которая, хотя и кажется
на первый взгляд простой и изящной, не имеет под собой ника-
кой физической экспериментальной основы. Последним тестом
для проверки любой новой теории является правильность сде-
ланных на ее основе предсказаний, и эта так называемая теория
переменной массы не выдержала подобного испытания. Однако
теория Хойла-Нарликара имеет одно достоинство, заслуживаю-
щее серьезного внимания. Она предлагает возможный путь обой-
ти одну из фундаментальных проблем теории Большого взры-
ва-тайну начальной сингулярности. Предложенное решение
с сингулярность#» присуще всем моделям Большого взрыва.
Чтобы понять его значение, постараемся глубже проникнуть
в природу начальной сингулярности.
УСТРАНЕНИЕ СИНГУЛЯРНОСТИ
Первые творцы теории Большого взрыва не слишком глубоко
вникали в проблему сингулярности пространства-времени, со
всей очевидностью вытекающей из решения уравнений Фридма-
на. Открытые модели обладают сингулярностью в конечном
прошлом, закрытая модель имеет сингулярность как в прошлом,
так и в будущем (рис. 126). Ричард Чейз Толман, один из ос-
новных создателей модели горячего Большого взрыва, видел
в предсказываемых сингулярностях проявление неадекватности
соответствующих уравнений и неприменимости в данном случае
известных законов физики. В более сложной и тонкой физиче-
ской теории, по его мнению, подобная сингулярность не должна
была бы возникать. В самых общих чертах это явление аналогич-
но отскоку шарика: в момент удара уравнение движения шарика
следует модифицировать, приняв во внимание неоднородности
поверхностей шарика и пола. Толмен утверждал, что реальная
Вселенная, возможно, также испытает отскок, и никакой сингу-
лярности при этом не возникнет, а может происходит последова-
тельное чередование циклов сжатия и расширения. Как мы виде-
ли ранее, количество излучения, генерируемое галактиками
и звездами в каждом цикле, устанавливает предел на число воз-
можных циклов; тем не менее картина закрытой вселенной, кото-
рая могла бы испытывать много циклов расширения и сжатия,
многим показалась привлекательной.
Теперь мы знаем, что эту идею, к сожалению, едва ли мож-
но считать разумной. Пока еще преждевременно категори-
чески утверждать, что мы не могли бы существовать в цик-
лической вселенной, но со всей определенностью можно утверж-
дать, что сингулярность в прошлом была неизбежна. Это
стало очевидным благодаря важной теореме, доказанной ан-
323
Сингулярность
в будущем
(только
в закрытой
вселенной)
До сингулярности
|	'	Продолжение возможно
।	|	только в идеализированной
।	|	модели Большого взрыва
Пространство -----»-
Рис. 126. Сингулярность
В закрытой модели Вселенной имеются сингулярности в прошлом и будущем
(а); в открытой (б)-только в прошлом. Лишь в том случае, если Вселенная пер-
воначально была совершенно однородной и изотропной, можно определить
новые масштабы длины и исключить тем самым сингулярность, как показано на
рисунке (в); тогда гипотетические наблюдатели могут пройти через нулевой мо-
мент времени. В общем случае неидеальной модели Вселенной мировые линии
всех наблюдателей внезапно начинаются в сингулярности в прошлом и, если
Вселенная закрыта, резко обрываются в сингулярности в будущем. Существова-
ние сингулярности, в которой резко обрываются мировые линии наблюдателей
(как в прошлом, так и в будущем),-общее свойство Вселенной, а не специфиче-
ская черта теории Большого взрыва.
глийскими теоретиками Стивеном Хоукингом и Роджером
Пенроузом.
Они показали, что сингулярность в прошлом-это интересное
и неотъемлемое свойство стандартной модели Большого взрыва.
В принципе сингулярность можно обойти, несмотря на то что
плотность становится бесконечной. Как видно из пространствен-
но-временной диаграммы (см. рис. 126), сингулярность можно
убрать посредством соответствующего преобразования. Однако
это можно сделать лишь в случае модели идеальной фридманов-
ской вселенной. Наличие же неоднородностей делает невоз-
можным устранение сингулярности посредством преобразования.
Этот результат оказывается роковым для теории переменной
массы. Более того, если даже Вселенная первоначально прошла
через сингулярность, последующая фаза сжатия должна быть су-
щественно неоднородной. Мы вынуждены сделать вывод, что
в закрытой модели сингулярность в будущем неизбежна, и по-
этому Вселенная вряд ли может быть циклической, если только
мы не откроем какие-либо новые физические законы, которые
позволят существенно видоизменить имеющуюся теорию грави-
тации.
ХАОС В ПРОТИВОПОСТАВЛЕНИИ
ПОРЯДКУ
Почему Вселенная изотропна? А если более точно: почему тем-
пература космического фонового излучения оказывается равна
ЗК даже при наблюдениях в противоположных направлениях?
Если первоначально эти области имели разные температуры, то,
чтобы температуры сравнялись, излучение должно было перехо-
дить из одной области в другую. Однако возраст Вселенной явно
недостаточен, чтобы между этими областями успела возникнуть
соответствующая связь, поскольку излучение от них только что
достигло нас.
Постулируя первичный хаос, мы могли бы, как было показа-
но ранее, несколько облегчить решение этой проблемы, допуская
различные темпы расширения в разных направлениях и раздви-
гая тем самым горизонты в ранней Вселенной. К сожалению, мы
не умеем описывать хаотические начальные условия с достаточ-
ной точностью, которая дала бы нам возможность оценить спра-
ведливость этой гипотезы (рис. 127). Другой подход к вопросу
о начальном хаосе основывается на понятии энтропии-меры
беспорядка. Фундаментальный закон термодинамики гласит, что
энтропия изолированной системы не может уменьшаться. Недав-
ние работы Стивена Хоукинга и других показали, что энтропию
можно также связать с испарением черных дыр. Предполагается,
что в хаотической ранней Вселенной в большом количестве мог-
ли образовываться черные дыры, причем самые маленькие из
них должны были испаряться, чудовищным образом повышая
325
Рис. 127. Порядок или хаос?
Весьма притягательно выглядит гипотеза, согласно которой Вселенная была
первоначально хаотической (а), а затем в процессе эволюции перешла в упорядо-
ченное состояние, которое мы наблюдаем сегодня в больших масштабах. Пер-
вичный хаос вполне мог приводить к достаточно сильному перемешиванию, ко-
торое объясняло бы однородность космического фонового излучения.
В противоположность этой точке зрения высказывается иное предположение:
ранняя Вселенная была весьма (но не абсолютно) однородной и упорядоченной
(б). Эта гипотеза также объясняет однородность космического фонового излуче-
ния и в большей степени согласуется с термодинамическим представлением
о росте энтропии. Поскольку гипотеза о хаосе не доказана (а если говорить кон-
кретно, то в модели «перемешанного мира» она не работает), многие космологи
отдают предпочтение модели с упорядоченным началом Вселенной.
энтропию. Энтропия Вселенной была непосредственно определе-
на по фоновому излучению, которое вобрало в себя все про-
дукты диссипации и испарения черных дыр в ранней Вселенной.
Тот факт, что фоновое излучение конечно, накладывает прямые
ограничения на допустимую степень первичного хаоса-в эпохи,
наступившие по прошествии 10 лет с начала расширения, Вселен-
ная не могла быть сильно хаотичной.
Это достаточно убедительный аргумент против хаотичности
в ранней Вселенной. Неизбежность роста энтропии также указы-
вает на высокую регулярность ранней Вселенной и помогает нам
объяснить изотропию космического фонового излучения, хотя
точно степень его изотропии, по-видимому, не определяется ни
одним из этих соображений.
ХОЛОДНАЯ ВСЕЛЕННАЯ
Энтропия легко «набирается» в умеренно хаотичной вселенной,
поэтому в самые ранние эпохи Вселенная могла быть холодной.
Равновесное излучение в таком случае могло возникнуть в ре-
зультате диссипации первичных неоднородностей, оно могло
возникнуть даже в более позднюю эпоху образования галактик.
Одно из существенных преимуществ модели холодной вселенной
состоит в том, что такая модель может, по-видимому, решить
326
одну из фундаментальных проблем стандартной модели Боль-
шого взрыва-проблему происхождения галактик. Холодному ве-
ществу свойственна неустойчивость. В раннюю эпоху в холодной
вселенной водород мог находиться в твердом состоянии и по ме-
ре расширения такой вселенной испытывать фазовый переход,
приводящий к спонтанному образованию несимметричных «тре-
щин». Некоторые космологи выдвигали гипотезы, согласно ко-
торым затравочные флуктуации, необходимые для образования
галактик, могли возникать именно таким путем, даже если Все-
ленная первоначально была однородной.
Принципиальное возражение против модели холодной вселен-
ной-невозможность объяснить с ее помощью происхождение
космического фонового излучения. Сторонники данной модели
высказывают предположение, что излучение от раннего поколе-
ния звезд могло поглощаться космической пылью и в итоге
переизлучаться в виде равновесного излучения. Однако такое
происхождение трудно согласовать с высокой степенью изотро-
пии и особенностями спектра фонового излучения с эффективной
температурой ЗК.
БУДУЩИЕ ТЕСТЫ
Ни одна из обсуждавшихся альтернативных космологических
теорий не выглядит особо обещающей, и теория Большого взры-
ва, как нам кажется,-это лучшая из космологических теорий,
предложенных на настоящее время. Однако имеется некий крити-
ческий тест для проверки по крайней мере одного из основных
положений этой теории, который пока еще не осуществлен. Ранее
мы говорили о том, как проявляют себя в эпоху отделения излу-
чения от вещества флуктуации плотности с амплитудой пример-
но 1% в масштабах масс, соответствующих галактикам или скоп-
лениям галактик. К сегодняшней эпохе эти флуктуации плотно-
сти должны были образовать галактики. В момент отделения
излучения от вещества подобные флуктуации должны были оста-
вить соответствующий след на фоновом излучении. Поиски мел-
комасштабных угловых вариаций фонового излучения позволяют
радиоастрономам проверять теорию образования галактик. Но
этот метод очень трудоемок, и его чувствительность должна
быть не ниже 0,01%. Такие измерения планируются на 80-е годы.
Рождение галактик должно быть событием, которое сопрово-
ждается выделением больших количеств энергии. Поскольку
красное смещение скрывает от нас недавно образовавшиеся га-
лактики, можно надеяться, что в конце концов мы сумеем зафик-
сировать галактики в момент их рождения (при красных смеще-
ниях 10 и более), распространив наши наблюдения в инфракрас-
ную область.
Сегодня наблюдения галактик с красными смещениями ниже
1 дали весьма интригующие результаты, говорящие о том, что
некоторые галактики могут находиться в процессе эволюции.
327
Ближайшие галактики являются вполне сформировавшимися,
а их свойства вполне установившимися, вместе с тем некоторые
далекие галактики кажутся чрезмерно голубыми, что, как прави-
ло, указывает на активное звездообразование. При красных сме-
щениях около 1 эволюция становится существенной, и многие га-
лактики в этом интервале красных смещений должны стать
доступными для наблюдений на космическом телескопе. В тео-
рии Большого взрыва галактики-это основные строительные
блоки Вселенной. Теперь, когда мы уже тщательно изучили
сформировавшиеся галактики и заглянули в их «юность», астро-
номы-наблюдатели вплотную подошли к исследованию процес-
сов их рождения; это позволит сравнить существующие теорети-
ческие представления с результатами наблюдений. Такие иссле-
дования должны помочь нам решить еще не разрешенные
проблемы, касающиеся образования галактик. В следующее деся-
тилетие, как ожидается, мы сможем также приступить к наблю-
дениям далеких галактик из космоса, что, по-видимому, позво-
лит нам ответить на вопрос, является ли Вселенная открытой
или закрытой.
НОВАЯ ФИЗИКА
Мы можем также надеяться, и не без оснований, что некогда по-
явится новая фундаментальная физическая теория, которая по-
зволит нам исследовать и третью принципиальную проблему
теории Большого взрыва, а именно условия в начальной сингу-
лярности. Последние успехи физики элементарных частиц указы-
вают на то, что мы, возможно, стоим на пороге такого исследо-
вания. Одним из величайших успехов физики элементарных
частиц явилось создание объединенной теории электромаг-
нитных и слабых взаимодействий. (Слабые взаимодействия
описывают ядерные процессы, которые, как правило, сопрово-
ждаются испусканием нейтрино.) Недавно были предприняты по-
пытки включить в единую теорию и сильные взаимодействия
(которые удерживают нуклоны в атомных ядрах). Одно из след-
ствий этой новой теории состоит в том, что в течение первых
10-42 с жизни Вселенной температура была так высока (если
принять точку зрения теории элементарных частиц), что должны
были существовать сверхмассивные частицы (с массой ~ 10 ~ 9 г)
типа фотонов, в которых сильные, слабые и электромагнитные
взаимодействия играли равную роль. Вначале, когда эти частицы
находились в равновесии с излучением, Вселенная была симме-
тричной и содержала равные количества вещества и антивеще-
ства. По мере расширения Вселенной температура падала,
и вскоре после сингулярности сверхмассивные частицы распада-
лись. Согласно теории, распад этих частиц происходил несимме-
трично, создавая некоторый избыток вещества над антивеще-
ством. Хотя точную величину этого избытка нельзя оценить
с помощью имеющейся на сегодня теории, возникает заманчивая
328
идея, что более утонченная теория элементарных частиц даст
возможность полностью объяснить результирующую асимме-
трию ранней Вселенной-относительный избыток вещества над
антивеществом, равный 10~8. Другие недавние успехи теории по-
зволили в какой-то степени понять, как ведет себя вещество
в сильном гравитационном поле вокруг черной дыры, в котором
может происходить спонтанное рождение частиц. Все эти успехи
не без основания порождают надежды, что рано или поздно мы
сможем понять эпоху рождения вещества вблизи сингулярности,
когда существовали аналогичные физические условия.
Мы вынуждены признать, что теорию Большого взрыва нель-
зя считать завершенной, поскольку она не позволяет объяснить
начало и с уверенностью предсказать конец Вселенной. Если
в будущем будет создана более совершенная теория, то она, не-
сомненно, будет включать в себя теорию Большого взрыва как
вполне адекватное описание наблюдаемой Вселенной. Возможно,
новая теория будет включать в себя Большой взрыв подобно то-
му, как общая теория относительности Эйнштейна включает
в себя и обобщает закон всемирного тяготения Ньютона. Хотя
окончательная теория происхождения и эволюции Вселенной по-
прежнему остается за пределами нашего воображения, мы мо-
жем с полной уверенностью считать, что уже наметились ее
первые контуры.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ГЛАВА 3
1. Параллакс и парсеки
Малые сектора окружности можно аппроксимировать прямыми линиями. Углы
измеряются не в градусах, а в радианах. Окружность радиусом г имеет длину,
равную 2лг; говорят, что окружность стягивает угол 2л радиан, который и обра-
зует полный круг. Следовательно, 2л радиан равны 360°. Более того, если
D-длина сектора, т.е. части окружности, г-радиус окружности и р-цен-
тральный угол (в радианах), стягиваемый сектором, то
D = гр.
Данное соотношение используется при определении звездных параллаксов, если
за D принять средний радиус орбиты Земли вокруг Солнца. Это расстояние-
1 астрономическая единица-равно 1,5-1013 см. Поскольку D известно, а р для ка-
ждой звезды измеряется, то мы можем, следовательно, определить расстояние
до звезды:
г = D/p.
На практике измерения проводятся через 6 месяцев, поэтому длина базы
D равна диаметру орбиты Земли, и по определению параллакс равен удвоенно-
му соответствующему угловому смещению положения звезды между двумя на-
блюдениями. Параллакс в 1 дуговую секунду соответствует расстоянию в 1 пс;
1 радиан = 2,1 • 10s дуговых секунд, и .пс — (2,1  105)  (1,5  1013) = 3,1  1018 см.
2. Доплеровское смещение
Рассмотрим звезду, излучающую световые волны с частотой N волн в секунду.
Если звезда движется от нас со скоростью v, то за 1 с она удалится на расстоя-
ние V.
Интервал между двумя последовательно испущенными звездой волнами ра-
вен 1/N с; за это время звезда прошла расстояние v/N см. Поэтому волны дол-
жны пройти больший путь, и неподвижный наблюдатель измеряет больший ин-
тервал времени
.	/ v \	,
N~l + — с
\ с )
между двумя следующими друг за другом гребнями волн, где с-скорость света
(3 • 105 км/с). Другими словами, наблюдатель обнаруживает более низкую часто-
ту, чем частота излучения звезды. Отношение наблюдаемой частоты излучения
звезды к испускаемой частоте равно
^набл _	1
^нсп 1 3" у/с
Мы с тем же успехом можем использовать длину волны X, т.е. расстояние ме-
жду последовательными гребнями волны, даваемую соотношением
X = c/N.
330
Тогда получаем
^набл _ । ।
^-исп	С
Эта формула показывает, что удаление звезды приводит к увеличению длины
волны, т. е. к красному смещению. Если звезда приближается к нам, то справед-
ливы аналогичные формулы, при условии что всюду v заменено на — v. Прибли-
жение звезды к нам приводит, следовательно, к увеличению частоты, что эквива-
лентно уменьшению длины волны, т.е. голубому смещению света от звезды.
Мы определяем красное смещение Z как
(^набл \jcn)/^Hcn ~
Это соотношение справедливо, если скорости малы по сравнению со скоростью
света. Когда v приближается к скорости света, мы должны воспользоваться фор-
мулой специальной теории относительности
1 + v/c
1 4. 7 = ______________
(1 - t^/c2)1'2 '
Эта формула показывает, что, когда v стремится к с, красное смещение может
становиться сколь угодно большим.
3.	Звездная величина
Звездная величина-это яркость звезды в логарифмической шкале. Уменьшение
звездной величины на 1 соответствует увеличению яркости в 2,5 раза. Яркость
звезды на небе есть ее видимая звездная величина т. Поэтому
т1 — т2 = 2,51g (яркость звезды 2 - яркость звезды 1).
Самые яркие звезды-это звезды примерно первой величины. Невооруженным
глазом мы можем видеть звезды до примерно шестой величины. Наиболее
слабые галактики, обнаружимые при глубоком фотографировании, имеют при-
мерно 24-ю величину.
Абсолютная звездная величина М определяется как звездная величина, кото-
рую звезда имела бы, находясь на расстоянии 10 пс от Земли. Поскольку здесь
используется всегда одно и то же расстояние, абсолютная звездная величина
является мерой собственной светимости звезды. Абсолютная звездная величина
Солнца равна +4,8.
Звездные величины могут быть как положительными, так и отрицательны-
ми; чем больше по абсолютному значению отрицательная звездная величина,
тем ярче объект. Абсолютная звездная величина нашей Галактики Млечный
Путь равна — 20, абсолютная звездная величина гигантской эллиптической га-
лактики равна - 22, абсолютная звездная величина самого яркого квазара со-
ставляет примерно — 27. Поскольку свет, принимаемый от звезды, падает по ин-
тенсивности как квадрат расстояния до звезды, в формуле для видимой
звездной величины 1g (яркость) можно заменить на — 21g (расстояние):
mt — т2 = 5 [1g (расстояние до звезды 1) — 1g (расстояние до звезды 2)].
Видимая величина т и абсолютная величина М данной звезды связаны
соотношением
т — М = 1g г — 5,
где расстояние до звезды выражено в парсеках; т = М, если г = 10 пс (посколь-
ку 1g 10 = 1).
13»
331
ГЛАВА 4
4.	Тепловое (равновесное) излучение
Спектр, или распределение по длинам волн, теплового излучения в единице
объема дается формулой Планка, которая выражает плотность энергии излуче-
ния
Slthc hc/кП ...
“х = ~п~(е	- 1) 1
А
в узком диапазоне длин волн с центром на длине волны X. В этой формуле
Г (К)-температура излучения по шкале Кельвина (эта шкала эквивалентна шка-
ле Цельсия, но отсчет ведется от абсолютного нуля, равного — 273°С), с-ско-
рость света, /i-постоянная Планка (равная 6,625 • 10“27 эрг с), /с-постояниая
Больцмана (1,38 • 10~16 эрг/К) и е-числовая константа, равная 2,718. На длинах
волн, значительно превышающих hc/kT, формула Планка сводится к простому
выражению
8л/сТ
~ X4 ’
которое известно как предел Рэлея-Джинса. Вместо X принято использовать ча-
стоту v излучения, определяемую как v = сХ-1. Формула Рэлея-Джинса, выра-
женная через плотность энергии в узком интервале частот с центром на частоте
v, показывает что uv пропорционально kTv2. Как правило, эта зависимость хо-
рошо выполняется для радиоволн.
Она перестает быть справедливой при длинах волн, много меньших hc/kT.
В самом общем случае распределение Планка имеет максимум на длине волны
X = 0,2hc/kT. При более коротких длинах волн плотность излучения быстро па-
дает. Полная плотность энергии теплового излучения получается сложением
вкладов в их на всех длинах волн, как больших, так и малых. Такое суммирова-
ние (точнее, интегрирование по бесконечно малым интервалам длин волн,
каждый с центром на длине волны X; при этом X меняется от 0 до оо) дает
8л5 (кТ)л
U ~ 15 (he)3
Для удобства эту формулу принято записывать в виде
и = аТ\
где Г-температура (К), а-константа плотности излучения, равная
а = 7,56-10-15 эрг/(см3 • К4).
Плотность энергии фонового излучения с эффективной температурой ЗК
составляет
и = а-34 = 6,1-10“13 эрг/см3.
Чтобы выразить эту величину в более удобных единицах, заметим, что 1 эВ =
— 1,6 • 10~12 эрг; следовательно, плотность излучения равна 0,38 эВ/см3, что по
порядку величины равно плотности звездного света в Млечном Пути. Макси-
мум излучения с температурой ЗК приходится на длину волны O,2/ic/3k = 1 мм.
ГЛАВА 5
5.	Уравнение Фридмана
Рассмотрим произвольную сферическую оболочку вещества, расширяющуюся
вместе с расширением Вселенной. Плотность внутри оболочки однородна и рав-
на средней космологической плотности массы. Кинетическая энергия расшире-
332
ния оболочки, имеющей скорость расширения v и меняющийся со временем ра-
диус г, равна 1/2v2 на единицу массы оболочки. Если оболочка включает массу
М, то ее потенциальная энергия, приходящаяся на единицу массы, равна
— GM/r. Масса сферы, заключенной внутри оболочки, равна М = 4ndr3/3, где
d- средняя плотность вещества. Используя соотношение Хаббла v = Hr, требуе-
мое изотропией, где в общем случае Н (t) есть функция времени, и учитывая за-
кон сохранения энергии при движении оболочки, получаем
1	, ,	4л ,
— Н2г2-------Gdr2 = const.
2	3
Но, согласно нашему предположению, оболочка произвольна. Отсюда следует,
что это уравнение должно быть справедливым для всех возможных оболочек и,
следовательно, для всех частиц во Вселенной. Для большей общности предполо-
жим, что в некоторый момент времени сферическая оболочка имеет радиус г0.
Тогда
г = R(t)r0,
где R (t)- масштабный фактор, характеризующий расширение сферы (содержа-
щей фиксированное количество вещества). Обычно выбирают R (t) так, чтобы
R = 1 в настоящий момент. Мы определяем не зависящую от времени постоян-
ную кривизны для конкретной рассматриваемой нами сферы как — Это
приводит к уравнению Фридмана
8л	,
Н2 - — Gd = — kR~2.
Расстояние между последовательными гребнями волн (т. е. длина волны) из-
лучения меняется точно так же, как радиус сферы, содержащей фиксированное
количество вещества. Мы можем считать, что как число волн (или фотонов), так
и число частиц являются сохраняющимися величинами. (При этом мы пренебре-
гаем процессами поглощения и испускания в пространстве на пути фотонов.)
Итак, красное смещение Z дается отношением разности между наблюдаемой
и испускаемой длинами волн к испускаемой длине волны, т.е.
Z (^набл) r0 ~ R (^исп) r0 _	1	j
(^исп) г0	К (^исп)
Под эпохой t„cn мы будем понимать произвольный момент времени после Боль-
шого взрыва t, при этом получаем соотношение
которое выражает связь между Z, R и t. Все три величины являются эквива-
лентными мерами времени.
6. Вселенная Эйнштейна-де Ситтера
Если к = 0, то уравнение Фридмана сводится ко вселенной Эйнштейна-де Сит-
тера. В этой вселенной плотность
ЗН2
d =-----.
Поскольку Я-измеряемая величина (равная в настоящий момент
15 км/(с • млн. свет, лет), мы можем вывести критическое значение плотности (за-
333
метим, что G = 6,67 • 10 8 и 1 световой год = 9,5 • 1017 см), которое равно
,	3 /15-105\2	1
4КПИТ =---(------------------г- = 4,5-10 30 г/см3.
крит 8л \ 1 • 1024 / 6,7-10'8	'
Можно определить критическую плотность числа частиц (масса атома водорода
равна 1,66 • 10“24 г) как
"крит = 2,7 IO’6 см“3.
Это соответствует 3 атомам в 1 м3.
Если положить к равным нулю, то получить точное решение уравнения
Фридмана особенно легко. Можно показать, что этот предел достаточно точно
описывает Большой взрыв в ранние моменты времени в эпоху доминирования
вещества. Все эффекты, связанные с давлением, пренебрежимы. Из закона сохра-
нения частиц следует, что произведение d на объем сферы (пропорциональный
R3) является величиной постоянной, т. е.
4R ^крит’
где dKplIT- сегодняшняя плотность частиц. Масштабный фактор на сегодняшний
момент принимаем равным 1. Выражая R через красное смещение Z, получаем
R = (1 + Z)"1.
Поскольку d растет как R-3, а член, содержащий к, возрастает всего лишь как
R-2, мы видим, что в ранние моменты времени этот член должен становиться
пренебрежимо малым.
В эпоху, когда основной вклад в плотность дает вещество (а не излучение),
Н2 = ^~GdxpmR~3,
где Н (t) = v/r = (темп изменения R)/R. Это простое дифференциальное уравне-
ние для R, которое можно записать в следующем виде:
темп изменения
/ 8л V'2
k =	R-312-
Чтобы решить это уравнение, обратимся к основам дифференциального исчис-
ления. Если скорость изменения величины R равна ZR-", то время t, за которое
R (г) примет свое текущее значение (если мы предположим, что R = 0 при t = 0),
равно
------R"
+
В нашем примере п = 1/2, так что
f 2^GdKp„Ty^3,2
3 \	3	/
ИЛИ
R(t) = (6nGdKplIT)1/3t2'3,
и
d(t) =
1
6nGt2
334
Отсюда следует, что возраст вселенной Эйнштейна-де Ситтера равен
2 1
Принимая Н = 15 км/(с млн.свет.лет), находим возраст вселенной:
3 • (15 • 105/1024)-1 с, или примерно 14 млрд. лет. Возможная неопределенность
в Н лежит в интервале 15—30 км/с млн.свет, лет; таким образом, возраст вселен-
ной Эйнштейна-де Ситтера мог бы быть значительно меньше, вплоть до
7 млрд. лет.
Полезно выразить d н t через красное смещение:
<рит = 4,5-10“30 (1 + Z)3 г/см3
и
t = 4 • 1017 (1 + Z)“3/2 с.
7. Модели Фридмана-Леметра
Точное решение уравнения Фридмана в общем случае выходит за рамки этих
примечаний. Однако небольшая хитрость позволяет нам познакомиться с пове-
дением этого решения. Рассмотрим сначала закрытую вселенную с отрица-
тельным к. Уравнение Фридмана можно записать как
, 8л
Н2 = — Gd - kR~2.
Напомним, что d ~ R~2. Очевидно, что по мере увеличения R наступает мо-
мент, когда Н2 впервые обращается в нуль. После этого член kR~2 становится
преобладающим (если бы R продолжал расти); однако это сделало бы отрица-
тельной величину Н2, которая является существенно положительной. Таким
образом, мы приходим к математическому противоречию, которое разрешается
только тем, что R достигает своего максимального значения, когда И2 впервые
обращается в нуль. Другими словами, масштабный фактор достигает макси-
мального значения, когда темп расширения падает до нуля, и после этого все-
ленная сжимается.
Чтобы ознакомиться с характером решения для масштабного фактора, рас-
смотрим следующие два уравнения:
и
R =
t =
4nGd0
Зк
(1 — cosy)
4nGd0
~7к^~
(у - sin у),
где у-параметр, который мы пока не конкретизируем. Плотность в сегодняш-
нюю эпоху обозначается через d0. При изменении у величины R и t принимают
определенные значения при каждом значении у. Можно показать, что уравнения
для R и t фактически удовлетворяют уравнению Фридмана. Мы говорим, что
они дают решение этого уравнения в параметрическом виде. В частности, при
изменении у от 0 до л величина R растет от 0 до максимального значения и за-
тем падает, обращаясь в нуль при у = 2л. Заметим, что cos 0=1, cos л = — 1 и
cos 2л = 1. Время t постоянно растет, когда у изменяется от 0 до 2л. Заметим,
что sin 0 = 0, sin л = 0 и sin 2л = 0. Если рассматривать R как функцию време-
ни, то это представление решения дает нам периодическое поведение R (t) в за-
крытой фридмановской вселенной.
335
как
Теперь рассмотрим открытую вселенную. Запишем уравнение Фридмана
Н2 = ^Ld + kR
3
Заметим, что теперь Н2 является суммой двух положительных членов. Следова-
тельно, при сколь угодно больших R величина Н никогда не обратится в нуль
(пока R не станет бесконечным). Здесь всегда получается решение с отличным от
нуля темпом расширения при сколь угодно большом (но не бесконечном) значе-
нии R. В этом случае вселенная расширяется вечно. Параметрическое решение
фридмановского уравнения теперь принимает совсем иной вид:
R =
4nGd0
Зк
(ch у - 1)
и
4nGdn
t = ^p^(shy-y).
На первый взгляд это решение кажется весьма похожим на решение в случае за-
крытой вселенной, только косинус и синус мы заменили на гиперболический ко-
синус и гиперболический синус. Эти функции в отличие от тригонометрических
не являются периодическими, они монотонны и растут неограниченно. Фактиче-
ски мы имеем
ch у = у(е’ + е О
И
shy = у(еУ - е-’’).
Теперь ясно, что решение R(t) сильно отличается от предыдущего результа-
та-оно растет беспредельно с ростом времени, что является характерным свой-
ством открытой вселенной.
Из уравнения Фридмана (приложение 5)
2 _ d0	— к
3 R3	R2
видно, что, когда R велико и к отрицательно (т. е. для открытой вселенной), это
уравнение можно аппроксимировать более простым уравнением:
Исследуем его на сегодняшний момент, когда Н = Но (наблюдаемая постоян-
ная Хаббла) и R = 1. Мы, очевидно, имеем — к = Н„. В этом уравнении пол-
ностью пренебрегают членом, связанным с плотностью. Более точное соотноше-
ние записывается так:
к = -н2(1 - й0),
где Qo = d0/dKpHT, d0- сегодняшняя плотность вещества и d -
= ЗНд/ (8лG)- плотность вещества во вселенной Эйнштейна-де Ситтера. Можно
написать
R = (1 + Z)"1,
336
где Z-красное смещение, и уравнение Фридмана для открытой вселенной (под-
ставим выражение для к) принимает вид
Н2 - ^-d0(l + Z)3 = Я2(1 + Z)2 (1 - ад-
Во вселенной Эйнштейна-де Ситтера мы имели бы
Н2 - 8лу</0(1 + Z)3 = 0.
Возникает вопрос, при каком значении Z открытую вселенную можно аппрокси-
мировать вселенной Эйнштейна-де Ситтера. Ответ на него мы получим, прйрав-
8тсС?
няв члены —-—d0(l + Z)3 и Hq(1 + Z)2(l — Qo), что дает
, ! z зЯр(1 -ад
87tGd0
Отсюда находим, что
1 + z = ^L(l -П0) = П-1 - 1.
Напомним, что О0 есть сегодняшнее отношение фактической плотности веще-
ства к критическому значению плотности. Мы видим, что при красном смеще-
нии больше, чем 1/О0, модель Эйнштейна-де Ситтера дает хорошее приближе-
ние для открытой вселенной.
ГЛАВА 6
8.	Радиационная эра
В очень ранние моменты времени излучение давало больший вклад в полную
плотность, чем вещество. Мы уже знаем, что плотность излучения равна
и = аТ* эрг/см3.
Соответствующая плотность массы, согласно знаменитому соотношению Эйнш-
тейна Е = тс2, равна
= “/с2 = пТ4/с2.
Теперь покажем, что температура теплового излучения изменяется с расши-
рением пропорционально R~l. Энергия фотона с длиной волны X равна йс/Х
(это квант энергии, который мы связываем с каждым фотоном в соответствии
с квантовой теорией). Обозначим в формуле Планка плотность энергии в еди-
ничном объеме, приходящуюся на единичный интервал длин волн, через и^.
Плотность числа фотонов получается делением u-f на энергию фотона с длиной
волны X и суммированием по всем длинам волн. В результате получается пол-
ное число фотонов в единице объема, равное
п = 60,4 (кТ/he)3 = 20,3 Т3 фотон/см3,
где Г-температура (К). В 1 см3 содержится примерно 550 фотонов теплового
излучения с эффективной температурой 3 К. Средняя энергия такого фотона
равна 2,7кТ, т.е. примерно 1,1 • 10~15 эрг = 7 • 10-4 эВ.
Эффект космологического расширения не изменяет вид спектра теплового
излучения. Если длина волны испытывает красное смещение на величину R, то
плотность энергии падает как R4 (7?-за счет потери энергии каждым фотоном
и R3 - вследствие увеличения объема). Однако в формуле Планка, описывающей
337
распределение плотности и-к теплового излучения, теперь с учетом этих измене-
ний можно длину волны X заменить на XR. Новая формула аналогична старой,
только вместо прежней температуры Т в ней использована более низкая темпе-
ратура Т/R. Другими словами, при расширении Вселенной излучение сохраняет
свое спектральное распределение и остается тепловым излучением, но с более
низкой температурой.
При Т(г0), т. е. при сегодняшней температуре, равной 3 К, современная
плотность массы излучения составляет всего
<U(Q = 6,8-10-34 г/см3.
Однако
^изл(0 =
тогда как
^вещ(0 ” ^вещ(^о)^ 3>
отсюда мы делаем вывод, что в ранние эпохи излучение по своему гравитацион-
ному влиянию преобладало над веществом. (Для ясности мы вместо d0 написа-
ли dBeuI(t0)) Вещество впервые стало доминировать, когда масштабный фактор
был равен dmjt/daeul, т.е. при красном смещении
2равн = <*веиАзл = (4,5 • Ю"30) (7 • 10“ 34)“ 1 X 6000,
если сегодняшняя плотность дается критическим значением, соответствующим
закрытой вселенной.
В более ранние эпохи уравнение Фридмана хорошо аппроксимируется сле-
дующим уравнением:
, 8aG J
Н2 = —d.
Это уравнение можно переписать как
'иэл(и«’4
темп изменения R =
" 8nG
^изл (*о)
“11/2
I R~r.
Решение этого дифференциального уравнения дается простой общей формулой
(приведенной в приложении 6), если п положить равным 1.
Решение имеет вид
" 32nG ,	Т/4
7? (О —	~ ^изл(^о)	*
£1/2
3
dmAt) ~ ~32^GP'
Температура излучения выражается формулой
/ Зс2 \V4 1	10‘»
'Г __ I ____ I ___ = _____ тг
\32nGaJ Г1'2	t1'2	’
где t-время, отсчитываемое от Большого взрыва и измеряемое в секундах.
При t = 1 с температура излучения равна 1О10 К. В эту эпоху средняя энер-
гия теплового фотона равна 2,7/сТ, или 2,3 • 106 эВ. Это превышает энергию по-
коя электрона, который обладает массой 9 • 10-28 г, что эквивалентно энергии
9 • 10'28 с2 эрг, т.е. 5 • 105 эВ. Несколько позднее (скажем, при г = 30 с) энергия
фотона упала ниже энергии покоя электрона. Следовательно, рождение пар ча-
стиц происходило лишь в моменты спустя менее чем примерно 1 с после Боль-
шого взрыва.
338
В более поздние эпохи температура излучения в самом общем случае дается
соотношением
Т= 3(1 + Z) К.
Из этих результатов, в частности, следует, что плотность числа фотонов и плот-
ность числа частиц изменяется одинаково (~ Т3). Их отношение является кон-
стантой расширения. Это утверждение справедливо только после того, как пол-
ностью закончилась аннигиляция электрон-позитронных пар, т.е. в моменты
времени более 1 с после Большого взрыва. Тогда на каждое ядро водорода при-
ходилось около 108 фотонов. До этой эпохи число имевшихся пар частиц было
сравнимо с числом фотонов. Следовательно, асимметрия ранней Вселенной (в
ней имелся избыток веществ над антивеществом) составляла всего лишь 1:108.
Все это антивещество оставило после себя единственный след в тепловом фоно-
вом излучении.
ГЛАВА 7
9.	Термоядерный синтез
а.	Образование нейтронов. Когда электрон-позитронные пары находятся
в тепловом равновесии с полем излучения при температурах выше 1010 К, то
среди реакций, протекающих при таких условиях, есть и такие:
протон + электрон нейтрон + нейтрино
и
протон + антинейтрино позитрон + нейтрон.
Двойные стрелки указывают на то, что реакции могут протекать в обоих
направлениях. Аннигиляция электрон-позитронных пар резко прекращается при
101® градусах, когда средняя энергия теплового фотона падает ниже пороговой,
при которой происходит рождение пар. В результате реакции прекращаются,
и нейтроны больше не образуются и не уничтожаются. Число нейтронов стано-
вится неизменным относительно числа протонов и электронов. Пока поддержи-
вается тепловое равновесие, количество нейтронов определяется соотношением
Ичейтр _ с - (И, - тр)с2/кТ
ипрот
где т„ и тр- массы нейтрона и протона. Выражение подобного типа весьма ха-
рактерно для равновесного процесса теплообмена. Разница масс, эквивалентная
энергии 1,3 • 106 эВ, определяет относительное содержание нейтронов. Остаточ-
ное количество нейтронов можно получить с хорошей точностью, положив Т =
= 1О10 К (что эквивалентно 9 • 105 эВ) в приведенном выше выражении, по-
скольку реакции прекращаются и количество нейтронов устанавливается именно
при этой температуре. В результате на каждый нейтрон остается по пять
протонов.
б.	Синтез гелия. Последующей судьбой нейтрона может быть распад на
протон и электрон. Однако свободный нейтрон распадается за 15 мин. Задолго
до того, как Вселенной «исполнилось» 15 мин, нейтронам была уготована дру-
гая судьба. Тогда могли происходить ядерные реакции, и нейтроны стремились
прореагировать с протонами, образуя дейтерий. Однако вначале температура
была слишком высокой, чтобы дейтерий мог выжить,-сразу же синтезировались
более тяжелые ядра. В действительности существует узкий диапазон температур
вблизи примерно 109 К, при которых возможно протекание реакций. Высокая
температура необходима для того, чтобы ядра подошли друг к другу достаточ-
но близко, в действие вступили ядерные силы и образовались более тяжелые
ядра. Но если частицы движутся слишком быстро, то они остаются вблизи друг
друга слишком непродолжительное время, чтобы ядерные силы успели сделать
свое дело.
339
Реакции начинаются сразу же после того, как температура падает до 109 К;
возраст Вселенной тогда был примерно 1—1,5 мин. Сначала происходит реакция
нейтрон + протон -> дейтерий + протон,
в результате которой образуются ядра дейтерия (тяжелого водорода). За этой
реакцией быстро следует серия реакций:
дейтерий + дейтерий ->• гелий-3 + нейтрон,
дейтерий + дейтерий -♦ тритий + протон,
дейтерий + тритий -♦ гелий-4 + нейтрон.
Гелий-3-изотоп гелия, состоящий из двух протонов и одного нейтрона; ге-
лий-4-наиболее распространенное ядро гелия, состоящее из двух нейтронов
и двух протонов; тритий-нестабильный сверхтяжелый водород, состоящий из
одного протона и двух нейтронов. Химические свойства ядра определяются чис-
лом заряженных частиц (т.е. протонов), которое оно содержит; различные изо-
топы одного и того же элемента содержат в ядре одинаковые числа протонов,
но разные числа нейтронов.
Так случилось, что стабильных ядер с массовыми числами 5 и 8 в природе
не существует. Следовательно, ядерные реакции после образования гелия бы-
стро прекращаются. При этом успевает образоваться малое количество легких
элементов, а именно лития, бериллия и бора. Но более тяжелые элементы, та-
кие, как углерод (его массовое число равно 12), не могут возникнуть в заметных
количествах. Чтобы три ядра гелия соединились в одно ядро углерода, требуют-
ся более высокие плотности, достижимые только внутри звезд.
Практически все свободные нейтроны исчезают, образуя ядра гелия. Не-
трудно понять, почему это происходит. Вероятность того, что нейтрон столкнет-
ся и провзаимодействует с протоном, по порядку величины равна его геометри-
ческому размеру (это так называемое сечения взаимодействия) лг2, где г-радиус
ядра. Если в 1 см3 имеется п протонов, движущихся со скоростью v, то число
столкновений, которое испытывает один нейтрон за секунду, равно просто
(w2)nv. Каждый нейтрон должен испытать по крайней мере одно столкновение
с протоном за время, равное возрасту Вселенной на момент, когда температура
равнялась 109 К. Это условие означает, что величина
Q = (nr2)nvt
должна равняться 1, чтобы большая часть нейтронов провзаимодействовала
с протонами. Но Q можно легко оценить: t равно приблизительно 100 с; с-ско-
рость нейтрона-при 109 К равна (fcT/m„)1/2 = 3 • 108 см/с; радиус ядра г =
= 10"13 см; и = пкрит(Т/3 К)3-критическая плотность частиц во Вселенной.
Следовательно,
Q = (3 10'26)(3-10'6)(3-108)3(3-108)(102) = 7 • 104.
Скорость реакции
нейтрон + протон ->• дейтерий + фотон,
согласно более точной теории, равна не лг2г, как дают простые геометрические
соображения, а 4,6  10'20 см3/с. Тогда Q х 103, т.е. также очень велико. Очевид-
но, что в подавляющем числе случаев (103 против 1) нейтрон провзаимодей-
ствует с протоном.
Можно показать, что остальные ядерные реакции проходят быстро. По-
скольку ядро гелия содержит два нейтрона и вначале на каждый нейтрон прихо-
дилось пять протонов, в Большом взрыве должно производиться одно ядро ге-
лия на каждые десять протонов. Более того, так как Q оказывается столь
большой величиной, этот вывод, по существу, не зависит от весьма неопределен-
ной величины сегодняшней плотности (даже если п завышено в 100 раз, резуль-
тат не изменился бы).
в.	Дейтерий. Дейтерий является важным побочным продуктом ядерных ре-
акций, в которых синтезируется гелий. Небольшое количество нейтронов может
340
оставаться заключенными в ядрах дейтерия; в открытой вселенной это количе-
ство составляет один нейтрон на 10000 протонов. Однако в закрытой вселенной
дейтерий, по существу, не выживает. Причина состоит в том, что если попытать-
ся определить вероятную судьбу ядра дейтерия, оценив для этого величину Q,
которая показывает, будет ли ядро вступать в реакции, то мы получим суще-
ственно меньшее значение Q, чем в предыдущем случае. Детальные расчеты
ядерных реакций показывают, что количество дейтерия достигает максимально-
го значения-примерно 1% количества водорода, а затем падает. Это в основ-
ном обусловлено выгоранием дейтерия и образованием более тяжелых ядер (ге-
лня-3, трития и в конечном счете гелия-4). Грубо говоря, если плотность
дейтерия падает до 0,001 плотности протонов и если при этом плотность числа
частиц равна 0,1 критической плотности, при которой Вселенная становится зам-
кнутой, то Q оказывается меньше 1, и плотность дейтерия может перестать па-
дать. Однако если п близко к критическому значению, то Q больше 10, при этом
происходят реакции и почти весь дейтерий разрушается. В открытой вселенной
значительная часть космологического дейтерия могла бы сохраниться.
ГЛАВА 8
10.	Отделение излучения от вещества
Критическим фактором, определяющим состояние ионизации вещества в ранней
Вселенной, является ионизация только что образовавшихся атомов фотонами
теплового излучения. Наиболее эффективное ионизующее действие оказывают
высокоэнергичные фотоны с короткими длинами волн, лежащие в коротковол-
новой области теплового спектра фотонов (описанного в приложении 4), т. е. фо-
тоны с длинами волн, малыми по сравнению с hc/kT. Число этих ионизующих
фотонов (по отношению к общей плотности частиц) можно приближенно запи-
сать как
/ /сТ\3 -1/кТ _ 3 • 107 — 157000/7’
п п \ he /	12
Здесь величина I, эквивалентная температуре 157000 К, обозначает энергию, не-
обходимую для ионизации невозбужденного атома водорода. Поскольку njn
быстро падает, как только Тстановится ниже 105 К, можно ожидать, что обра-
зование атомов водорода и отделение излучения от вещества начнутся сразу,
как только станет не хватать ионизующих фотонов. Поскольку имеется большое
число тепловых фотонов (около 108) на каждый атом, температура должна
упасть существенно ниже 105 К, чтобы экспоненциальный множитель (е~157ОО()/Т)
стал достаточно мал. Фактически njn становится меньше 1, когда Т падает ниже
примерно 8000 К.
Равновесие между ионизованной и нейтральной фазами вещества основы-
вается на тонком балансе между процессом ионизации оставшимися высоко-
энергичными тепловыми фотонами и электронной рекомбинацией. Уравнение,
описывающее это равновесие и известное как уравнение Саха, можно записать,
вводя степень ионизации х:
х2	(2TtmckT)312 -i/кт
------- — ---------- Q
1 — х nh3
где те-масса электрона, fc-постоянная Больцмана и h-постоянная Планка. Ре-
шение этого уравнения при Т ниже нескольких тысяч градусов обнаруживает
очень резкий переход вещества от ионизованного состояния к нейтральному при
температуре примерно 4000 К, как это показано в таблице.
Эта процедура несколько завышает температуру, при которой происходит
отделение излучения от вещества, по следующей причине. Атомы имеют тенден-
цию возбуждаться в результате поглощения фотонов с длиной волны, соответ-
341
Значения величины х
Т, к	Отношение современной величины плотности Вселенной к критическому значению 1	0,01
5400 4800 4200 3600 3000	0,99	1 0,73	0,995 0,11	0,664 0,004	0,034 4-10-5	3-10“4
ствуюгцей альфа-линии серии Лаймана. Эти фотоны возникают при образова-
нии водорода; они соответствуют переходу электрона из первого возбужденного
состояния атома водорода в основное. Затем фотоны поглощаются другими
атомами водорода, которые впоследствии релаксируют, излучая фотоны альфа-
линии Лаймана~по одному на каждый поглощенный фотон. Поэтому заметная
доля атомов водорода могла находиться в возбужденном состоянии в течение
эпохи отделения излучения от вещества. Но возбужденные атомы, будучи менее
связанными, ионизуются легче, чем невозбужденные атомы. Если мы учтем на-
личие возбужденных атомов водорода, то температура, при которой происходит
эффективное отделение излучения от вещества, уменьшается примерно до
3000 К.
ГЛАВА 9
11.	Взаимодействие излучении с флуктуациями плотности
Если мы рассматриваем флуктуации плотности до эпохи отделения излучения
от вещества в масштабах, на которых существенную роль играют гравита-
ционные эффекты, то проще всего обсудить отдельно изотермические, т. е. с по-
стоянной температурой, флуктуации (в которых поле излучения не возмущено)
и адиабатические флуктуации (в которых испытывают сжатие и вещество,
и излучение).
а.	Изотермические флуктуации. Представим себе электрон внутри флуктуа-
ции плотности, который движется с малой скоростью v относительно изотроп-
ного фонового излучения. Наблюдатель в системе покоя электрона видел бы не-
скомпенсированный поток излучения f, равный ‘ЧуСаТ* в направлении движения.
Тот факт, что имеется поток излучения, означает, что электрон испытывает дей-
ствие силы торможения, поскольку фотоны рассеиваются на электроне преиму-
щественно в направлении его движения. Если среднее расстояние между после-
довательными рассеяниями фотона (или средняя длина свободного пути) л, то
сила, действующая на электрон, обусловлена избытком давления излучения на
расстоянии X. Избыток давления равен как раз f/с, где с-скорость света. Сила
торможения равна /УХс, или
Ftopm = - у(г/с)(аГД).
Мы записали силу торможения с отрицательным знаком, потому что она
всегда направлена против движения электронов. Средняя длина свободного пути
фотонов обратно пропорциональна плотности электронов и выражается как
X = (сти)1,
342
где ст = 0,7 • 10“24 см2-сечение рассеяния на электронах. Можно рассматривать
ст как эффективную площадь мишени, которую представляет электрон для па-
дающего на него фотона. Это сечение существенно больше геометрического раз-
мера электрона, поскольку степень рассеяния фотонов определяется зарядом
электрона. Окончательно имеем
гторм = - ytv/claiaT4)».
Гравитационная сила равна
GM Gd /4
FrnaB = --= —— —ItdL
rpdB L2 13 \3
Полагаем, что масса флуктуации приближенно равна количеству вещества с кос-
мологической плотностью d, заключенного внутри сферы радиусом L.
Отношение этих двух сил (электрон и протон всегда должны двигаться вме-
сте, поскольку при их разделении возникают электростатические силы) равно
= g(al> = 1{)_8 (1 + z)5/2
FrpaB LitGcmpd
Данное численное значение получено для модели Эйнштейна-де Ситтера (при-
ложения 7 и 9), в которой Т = 3 (1 + Z) К, d = 6 • 10“30 (1 + Z)3 г/см3 и
2/3L/v = t = 4 • 1017 (1 + Z)-3/2 с. Видно, что до отделения излучения от веще-
ства (при Z = 1000) сила торможения излучением всегда заметно превышает
гравитационную силу.
Поэтому сила торможения излучением подавляет любое движение изотер-
мической флуктуации. Это позволяет нам также понять, почему до отделения
излучения от вещества температуры вещества и излучения сильно связаны друг
с другом даже несмотря на то, что процессы (такие, как поглощение и испуска-
ние излучения), которыми обычно характеризуется тепловое равновесие, могут
и не происходить. Это обусловлено тем, что если под v понимать скорость теп-
ловых движений отдельных электронов, а не движений масс в флуктуации, то
можно применить те же рассуждения. Любая избыточная энергия электронов
(если температура электронов превышает температуру излучения) теряется. Если
электронная температура меньше температуры излучения, то этот процесс рабо-
тает в обратную сторону. В таком случае электроны будут нагреваться до тех
пор, пока не сравняются температуры вещества и излучения.
б.	Адиабатические флуктуации. В случае адиабатических флуктуаций боль-
шую роль играет динамический процесс, потому что излучение стремится ока-
зать сопротивление сжатию. То обстоятельство, что фотоны обладают конечной
длиной свободного пробега, означает, что они рано или поздно продиффунди-
руют за пределы флуктуации любого наперед заданного размера. Для достаточ-
но мелкомасштабных флуктуаций эта диффузия происходит быстро-за время
меньшее, чем возраст Вселенной. Такие мелкомасштабные флуктуации обре-
чены: диффундируя наружу, излучение тем самым приводит к затуханию флук-
туаций. Поскольку средняя длина свободного пробега этого излучения мала,
при выходе из флуктуации излучение делает ее более однородной.
Мы легко можем оценить критический размер флуктуаций, которые должны
затухнуть в результате диффузии излучения. Если размер флуктуации равен L,
то фотоны должны совершать случайные дрейфы с длиной рассеяния X, прежде
чем они вырвутся из флуктуации наружу. При диффузии на расстояние, равное
N длинам рассеяния, должно произойти N2 рассеяний. Поэтому необходимое
время равно квадрату числа рассеяний (L/Х)2, умноженному на Х/с-время, за ко-
торое происходит одно рассеяние, т. е. L2(Xc)-1. Время диффузии меньше, чем
возраст Вселенной, если
L2(Xc)-1 < t, или L< (ct-X)112.
343
Здесь ct, по существу, радиус наблюдаемой Вселенной (или расстояние, которое
свет может пройти за время £); L-среднее геометрическое среднего свободного
пробега фотона и размера горизонта.
Диффузия перестает быть эффективной сразу же, как становится несуще-
ственным рассеяние после образования атомарного водорода. Максимальный
размер флуктуаций, которые испытали затухание, лучше всего выразить через
массу флуктуации:
4тг 4л
= — di3 = —n-ll2mp(ct/c)3'2,
где т - масса протона. Беря величины п и t, соответствующие эпохе отделения
излучения от вещества (и = 3000J1 см-3 и t = 1013Л”1/2 с), получаем Md =
= 1012iT5/4MG (mp = 1,7-10-24 г и 1 Мо = 2-1033 г).
На самом деле это заниженная оценка Md. Дело в том, что в ходе процесса
отделения излучения от вещества длина рассеяния фотона быстро растет. Внача-
ле эта длина была очень мала по сравнению с размером любой интересующей
нас флуктуации. Однако в конце она стала сравнимой с размером наблюдаемой
Вселенной, поскольку процесс отделения излучения от вещества в том и состоит,
что убираются почти все свободные электроны, ответственные за рассеяние. Как
только средняя длина свободного пути фотона становится очень большой, диф-
фузия излучения уже не имеет отношения к делу-излучение уже ушло. В течение
короткого мгновения, когда средняя длина свободного пути фотона сравнима
с размером флуктуации, может происходить дополнительное затухание. В итоге
это приводит к увеличению Md до примерно 1013 MG в случае вселенной Эйнш-
тейна-де Ситтера. Если Вселенная открыта и современная плотность равна все-
го лишь 0,03 <1крит, Md увеличится примерно в 100 раз.
12.	Гравитационная неустойчивость
Флуктуации, пережившие эпоху отделения излучения от вещества, испытывают
гравитационную неустойчивость, если их масштабы достаточно велики. Крите-
рий гравитационной неустойчивости, впервые сформулированный Джеймсом
Джинсом, гласит, что флуктуации, размер которых больше, чем некоторая кри-
тическая длина (длина Джинса, которую мы обозначим как Дджиис), неустойчива
и должна расти. В отсутствие расширения эта неустойчивость весьма существен-
на. Она обусловлена главным образом противоборством между давлением
и гравитационными силами.
Чтобы понять критерий Джинса, рассмотрим среду с плотностью d, ско-
рость звука в которой равна изв, и некоторую флуктуацию диаметром R. Срав-
ним характерную кинетическую энергию (связанную с тепловыми и хаотически-
ми движениями) с гравитационной потенциальной энергией частицы. Кинетиче-
ская энергия, приходящаяся на 1 г вещества, пропорциональна v2, а потенциаль-
ная пропорциональна G (dR3)/R. Очевидно, что тепловая энергия преобладает
для малых R, но гравитация берет верх при больших R. Тепловая и гравита-
ционная энергии (и, следовательно, градиент давления и гравитационные силы)
уравновешены при R = Кджиис, где
~ Gd Кджиис, или Кджинс = гзв (Gd) 2^2.
Более строгий вывод дает
Кджиис = v3B(n/Gd)112.
Изучение поведения флуктуаций в расширяющейся Вселенной приводит
к выводу, что в масштабах, меньших, чем Кджиис, флуктуации осциллируют как
волны давления. В больших масштабах флуктуации слегка неустойчивы. Не-
устойчивость проявляется как медленный рост по амплитуде первоначально
малых крупномасштабных флуктуаций плотности. Масса, заключенная внутри
сферы, радиус которой равен длине Джинса, называется массой Джинса и дает-
344
ся соотношением
Мдх„Ис = nd [узв (n/Gd)1/2]3.
До отделения излучения от вещества смесь вещества и излучения поддержи-
вает высокую скорость звука, близкую к скорости света. Фактически, пока во
Вселенной доминирует излучение,
1’зв = с/31/2.
Это означает, что джинсовская масса охватывает практически всю массу внутри
наблюдаемого горизонта. Непосредственно до отделения излучения от вещества
эта масса поистинне огромна: она превышает массу самого большого скопления
галактик.
После отделения излучения от вещества скорость звука резко падает до зна-
чения, характерного для водорода при 2000 К, равного (кТ/тр)1/2, или приблизи-
тельно 4 км/с. Джинсовская масса теперь уменьшается примерно до 105 сол-
нечных масс. Чтобы получить это, положим
гзв = 4 • 105 см/с
и
d = 6-10“30 (1 + Z)3 Л г/см3
в формуле для массы Джинса, что дает
Мджинс = 109 (1 + Z)“3/2il-1/2 солнечных масс.
Изменение джинсовской длины означает, что флуктуации, существовавшие до
рекомбинации, внезапно становятся гравитационно неустойчивыми. Их рост и
в итоге сжатие должны приводить к образованию галактик.
Нетрудно оценить темп роста флуктуаций, размеры которых превышают
джинсовскую длину. Ранее (в приложении 7) мы видели, как можно описать эво-
люцию фридмановского фона с помощью уравнений вида
R = А (1 — cos у) и t = В (у — sin у),
где А и В-константы, а у-параметр, который может принимать любое про-
извольное значение. Представим себе область, немного более плотную, чем фон.
Эта область имеет тенденцию запаздывать за расширением остальной Вселен-
ной. Свяжем друг с другом отклонение 8R от масштабного фактора R в флук-
туации и соответствующее увеличение плотности 84 по отношению к фоновой
плотности d. В ранние времена у можно считать малой величиной; тогда
Теперь мы получаем
/1 ,	1 Л	В ,
R + 8R = А[ —у2------у4 и t = —у3.
\ 2	24 /	6
Отсюда следует, что, рассматривая малые возмущения, мы должны иметь R ~
~ у2 ~ (2/3 и 8R ~ у4 ~ t4/3. Поскольку по закону сохранения массы в сопут-
ствующем объеме (d + 8d)(R + SR)3 = const, относительное изменение плотно-
сти 8d/d должно быть равно 38R/R. Отсюда следует, что 8d/d ~ у2 ~ t2/3 ~ R,
т.е. контраст плотности в флуктуации относительно однородного фона растет
пропорционально масштабному фактору расширения.
Например, если на момент отделения излучения от вещества имелись флук-
туации с амплитудой 1% фона, то они станут большими к моменту, соответ-
345
ствуюгцему красному смещению 10, когда Вселенная расширилась в 100 раз.
Этот результат справедлив лишь в том случае, если член, связанный с кривиз-
ной, пренебрежимо мал вплоть до величины красного смещения 10. Напомним,
что мы можем хорошо аппроксимировать раннюю Вселенную космологической
моделью Эйнштейна-де Ситтера при красных смещениях, превышающих Q-1.
Поскольку й скорее всего лежит в интервале 0,1-1 и поскольку другие соображе-
ния говорят о том, что многие галактики образовались при больших красных
смещениях (больше 10), то влиянием кривизны на рост галактических возмуще-
ний можно вполне обоснованно пренебречь.
В закрытой вселенной темп роста возмущений плотности должен превы-
шать темп роста возмущений во вселенной Эйнштейна-де Ситтера. Однако
в открытой вселенной рост возмущений подавлен, потому что вселенная
с малой плотностью, когда важен член, связанный с кривизной, по существу,
расширяется по инерции за счет кинетической энергии расширения. Член, свя-
занный с гравитационной энергией, в уравнении Фридмана относительно мал.
Это означает, что притяжение, обусловленное самогравитацией флуктуаций, ста-
новится несущественным. Прежде чем флуктуации плотности станут достаточно
большими и расширение в них сменится сжатием, их дальнейший рост прекра-
тится, как только станет важным член, включающий кривизну. Если 1) мало, то
впервые это происходит при красном смещении, равном по порядку величины
1/Q. Такой эффект может оказаться существенным на очень больших масшта-
бах, соответствующих сверхскоплениям галактик, где большие неоднородности
в распределении галактик, по-видимому, не сопровождаются похожими отклоне-
ниями от хаббловского расширения, которых можно было бы ожидать, если бы
сверхскопления были гравитационно связанными конфигурациями. Этот резуль-
тат еще нуждается в подтверждении; если он правилен, то это свидетельствова-
ло бы в пользу открытой вселенной.
ГЛАВА 10
13.	Коллапс флуктуаций плотности: образование галактик
Мы уже объяснили в гл. 5, почему доказательства справедливости ньютонов-
ской космологии для однородной Вселенной эквивалентны доказательству того,
что мы можем пренебречь гравитационными эффектами со стороны всей
остальной Вселенной вне произвольно большой, но конечной сферы. Этот ре-
зультат фактически является частным случаем теоремы, применимой к любому
сферически-симметричному распределению вещества,-только вещество, заклю-
ченное внутри сферической оболочки, дает вклад в гравитационные силы, дей-
ствующие на эту оболочку. Одно из следствий этого состоит в том, что уравне-
ния, которые мы использовали для описания фридмановской вселенной, можно
обобщить, с тем чтобы проследить эволюцию сферически-симметричной флук-
туации плотности.
Разложим флуктуацию на серию сферических оболочек. Пусть г есть радиус
оболочки. Тогда уравнения
г = А (1 — cos у) и t = В (у — sin у)
описывают эволюцию этой оболочки. Мы по-прежнему должны считать А и
В постоянными, которые, однако, могут меняться от оболочки к оболочке (они
зависят от массы внутри произвольно заданной оболочки). Мы можем зафикси-
ровать А и В, выбрав массу М внутри оболочки и полную энергию 1/2Е, прихо-
дящуюся на единицу массы оболочки:
+ GM/r.
Окончательные соотношения (вывод которых мы здесь не приводим) таковы:
А = GM/Е и В = GM/Е312. Отметим, что эти уравнения идентичны уравнениям
346
из приложения 7, если мы отождествим Е с кг2, однако теперь к уже не является
константой, а меняется от оболочки к оболочке.
Эти уравнения имеют интересное следствие для г и t. Время растет с увели-
чением у, но г достигает максимального значения (при у = л) и затем умень-
шается. Оболочка сжимается до нулевого радиуса при у = 2л. Другими слова-
ми, в момент времени tt (t, = В (л — sin л) = лВ, поскольку sin л = 0) оболочка
расширяется до максимально достижимого радиуса. Поскольку направление
движения оболочки вблизи момента времени £, сменяется на противоположное,
ее скорость все больше запаздывает относительно хаббловского расширения, па-
дая в этот момент времени до нуля. После этого оболочка сжимается. К момен-
ту времени 2t, (равному 2лВ) оболочка полностью сколлапсирует. В момент по-
ворота t, плотность вещества внутри оболочки незначительно превышает
плотность невозмущенного фона. К моменту 2t, плотность вещества формально
становится бесконечной (поскольку радиус оболочки уменьшается до нуля). Ко-
нечно, в реальной ситуации возникнут нерадиальные движения, начнут действо-
вать силы давления, тормозящие коллапс. Это должно было приводить к обра-
зованию галактик с конечным (не нулевым) значением радиуса.
14.	Характерные массы и размеры галактик
Рассмотрим судьбу флуктуации плотности, которая начала сжиматься. Действи-
тельно ли она становится галактикой? Мы уже говорили, что силы давления
в конце концов замедлят сжатие. Равновесие между давлением и гравитацией
определяется критерием Джинса. Если масса облака существенно больше джин-
совской массы, определяемой плотностью и температурой облака, то оно будет
продолжать сжиматься. В начале сжатия плотность мала, и охлаждение не
играет большой роли. По мере сжатия облако разогревается и джинсовская мас-
са растет. Сжатие прекращается, когда силы давления и гравитационные силы
уравновешиваются или когда джинсовская масса впервые становится сравнимой
с массой облака. В реальной ситуации можно ожидать, что некоторую роль
играют другие источники давления, такие, как турбулентность и нерадиальные
движения массы; как правило, такие движения быстро диссипируют, если они
являются сильно сверхзвуковыми. Поэтому простые соображения, касающиеся
температуры и плотности, дают правильное описание сил, которые могут про-
тиводействовать гравитации.
Систематическое повышение температуры весьма существенно в этом сце-
нарии. Когда повышается плотность, газ может начать эффективно излучать.
Сначала охлаждение может препятствовать повышению температуры, затягивая
тем самым время установления равновесия. Если газовое облако может излу-
чать наружу энергию сжатия, которую он преобретает в ходе коллапса, то оно
продолжает сжиматься. Всегда, когда джинсовская масса меньше, чем масса
облака, может происходить фрагментация. Возникают и коллапсируют флуктуа-
ции в масштабах, сравнимых с джинсовской массой. Если охлаждение препят-
ствует росту температуры, джинсовская масса (которая пропорциональна
Т3/2</-1/2) уменьшается, поскольку плотность при сжатии растет. В результате
облако фрагментирует на все меньшие подсистемы. Эти фрагменты в конце кон-
цов становятся звездами.
Мы можем вывести простое условие, при выполнении которого водородное
газовое облако способно охлаждаться, приняв, что время охлаждения сравнимо
с характерным масштабом времени сжатия. Эти два характерных времени мож-
но выразить через среднюю температуру и среднюю плотность облака.
При температурах ниже примерно 3 • 105 К охлаждение происходит в ос-
новном за счет присоединения электронов к протонам. Весьма приближенно
время охлаждения дается следующим выражением:
t = 3-1O5 Т3,2п-1 с
*-охлажд J 1V 1 п
где Т-температура газа (К) и n-число атомов в 1 см3.
347
Чтобы получить время гравитационного сжатия, рассмотрим газовое обла-
ко с массой М и радиусом R, которое внезапно стало холодным. Оно будет
сжиматься со скоростью V = (GM/R)il2. Время, за которое облако сколлапси-
рует, с достаточной для нас точностью равно R/V, или R3/2/(GM)1/2. Если М =
= 4'/37ta!J?3, то время гравитационного коллапса равно
Граи = (Gd)~112 = З Ю15 И-1/2 С.
(Чтобы перевести плотность массы в плотность частиц, воспользуемся равен-
ством d = птр.)
Отношение этих двух характерных времен равно
£охлажд _ jQ-iO’p3/2n-l/2
£грав
Однако
мДжинс = 103ST3'2(T1'2 г,
отсюда получаем
£охлажд _ Джинс _ __________Джинс_______
trpaB Ю45 г 5 • 1011 солнеч. масс
Этот результат говорит о том, что только при уменьшении джинсовской массы
примерно до 5 • 1011 солнечных масс сжимающееся облако сможет охлаждаться,
эффективно фрагментировать на подсистемы и образовывать звезды. Ранний
коллапс не связан с образованием звезд, поскольку газ оставался горячим.
Эти рассуждения следует видоизменить, если начальная температура превы-
шает 3 • 105 К, т.е. газ слишком горячий, чтобы в нем произошло отделение ве-
щества от излучения, и он излучает главным образом за счет процесса (который
получил название свободно-свободное излучение), возникающего при сближении
электронов и ускорении их другими электронами и протонами. Кратковремен-
ное ускорение приводит к тому, что электроны излучают. Характерное время ох-
лаждения, обусловленного свободно-свободным излучением, приближенно равно
£охлажд = 3  1011 Т112п~1 с,
и теперь мы получаем
f	yl/2	D	D
^охлажд __	_ *\Джиис __ _______^Джинс_____
trpaB	п1/2	3 • 1023 см 3 • 105 свет, лет
Это выражение указывает на то, что звездообразование в горячем сжимающем
облаке происходит лишь в том случае, если джинсовская длина падает пример-
но до З Ю5 световых лет.
Возможно, это не более чем совпадение, что характерные для образования
галактик массы и радиусы облака подобны соответствующим масштабам для
массивных галактик. Хотя более детальная теория в настоящее время отсут-
ствует, кажется вполне вероятным, что элементарные физические процессы излу-
чения и сжатия первичного газового облака должны приводить к образованию
галактик, похожих на те, которые мы наблюдаем.
15.	Когда образовывались галактики?
Если бы мы точно знали возраст нашей Галактики и возраст Вселенной, мы
могли бы вывести отсюда красное смещение, при котором образовалась наша
Галактика. К сожалению, неопределенности в определении обоих этих возрастов
оставляют неопределенной эпоху образования галактик - большинство галактик
(включая нашу собственную Галактику) могли образоваться как при больших
красных смещениях (скажем, Z = 100), так и сравнительно недавно (Z = 3-)-4).
348
Наш подход к определению эпохи, когда образовалась наша Галактика, ос-
новывается на свойствах орбит самых старых звезд. Их орбиты часто очень вы-
тянуты относительно центра Галактики. Эти звезды, по-видимому, образовались
на максимальном расстоянии от центра, которое достигается на их сегодняшних
орбитах, т. е. на расстояниях больше 150000 световых лет. После этого звезды
падали в направлении к Галактике. Кинетическая энергия, которую они при-
обретали при падении, была достаточна, чтобы звезды оказались вновь отбро-
шенными на расстояния, на которых они образовались. Орбиты таких звезд
остаются очень вытянутыми в течение долгого времени. Мы приходим к выво-
ду, что Галактика как целое должна была сжаться от размеров областей, про-
стирающихся за орбиты самых старых звезд.
Можно оценить плотность, которую должна была иметь наша Галактика,
если бы она заполняла такой объем с радиусом 200000 световых лет, что равно
2- 1023 см. Принимая массу Галактики равной 1012 солнечных масс, получаем
среднюю начальную плотность 10“25 г/см3. Плотность Вселенной при про-
извольном красном смещении Z составляет
6-10“зой(1 + Z)3 г/см3,
где й = 1 для вселенной с критической плотностью, необходимой, чтобы все-
ленная была закрыта, и й < 1 для открытой вселенной. Следовательно, красное
смещение, при котором начальная плотность галактик была в точности равна
космологической плотности, находится из соотношения
КГ25 = 6-КГ30 Л(1 + Z)3
или
1 + Z = 25й~1/2.
При больших красных смещениях Вселенная была плотнее, чем могла быть пер-
воначально наша Галактика. Таким образом, наша Галактика не могла образо-
ваться в ходе сжатия в более ранние эпохи, чем это дается приведенным выше
условием. Итак, при красном смещении 24 (если й = 1) флуктуация, которая
должна была стать нашей Галактикой, имела плотность в два раза больше, чем
окружающая среда.
Если наша Галактика вначале была намного больше, то ее плотность дол-
жна была быть довольно незначительной, и она могла образоваться сравнитель-
но недавно. К сожалению, даже сегодняшняя протяженность нашей Галактики
известна плохо. Шаровые скопления видны вплоть до расстояний больше
300000 световых лет от центра Галактики. Гало других спиральных галактик
могут простираться до сравнимых расстояний, где мало что указывает на при-
сутствие светящегося вещества, хотя там может содержаться значительное коли-
чество массы. Образование галактик могло происходить при красном смещении
не больше 3 или 4, и возможно даже, что этот процесс продолжается и в настоя-
щее время.
Самые точные оценки эпохи образования галактик будут получены тогда,
когда мы сможем непосредственно наблюдать недавно образовавшиеся мо-
лодые галактики. Вновь образовавшиеся системы должны быть очень заметны-
ми благодаря преобладанию молодых массивных звезд и значительному содер-
жанию газа и пыли.
ГЛАВА 11
16.	Образование скоплений галактик
Скопление галактик первоначально могло быть флуктуацией плотности с до-
вольно малой амплитудой относительно фонового вещества. Флуктуация росла
за счет гравитационной неустойчивости. В конце концов образовывались галак-
тики и падали друг на друга. Сжатие скопления происходило аналогично эволю-
ции флуктуаций газовой плотности, из которых формировались галактики; от-
349
личие состоит лишь в том, что при описании эволюции скопления галактик
понятие «давление» теряет всякий смысл. Галактики сталкиваются не столь ча-
сто, как атомы в газе (если столкновения и происходят, то сравнительно редко).
Это позволяет довольно легко оценить конечный радиус скопления, поскольку
система не теряет энергию.
Когда галактики только начали обращаться вокруг центра скопления и па-
дать в направлении к нему под действием сил гравитации, энергия скопления це-
ликом была представлена гравитационной потенциальной энергией. Она равня-
лась
GM
Е =--------
R
на единицу массы, где R-радиус и М-масса скопления. Теперь проследим за
сжатием галактик. Поскольку их энергия сохраняется, можно было бы поду-
мать, что они должны появляться на том же радиусе, с которого падали к цен-
тру скопления (точно так же, как идеально упругий резиновый мяч отскакивал
бы на ту же высоту, с которой его бросили). Вначале движения галактик, вероят-
но, были направлены к центру (т.е. были радиальными). После пролета мимо
других галактик галактики отклонялись от первоначального радиального напра-
вления движения и приобретали скорости в нерадиальном направлении. По-
скольку энергия сохраняется, средняя радиальная скорость должна была умень-
шаться. Следовательно, галактики будут отскакивать на меньший радиус, чем
тот, с которого они падали.
Если окончательный радиус скопления Ro, то энергия, приходящаяся на еди-
ничную массу, равна
где г-средняя дисперсия скоростей галактик в скоплении. Если теперь скопле-
ние находится в равновесии, мы можем также воспользоваться теоремой вириа-
ла, согласно которой сумма удвоенной кинетической энергии галактик и грави-
тационной потенциальной энергии обращается в нуль:
1	,
2	• —V2 - GM/R0 = О,
или
v2 = GM/R0.
Следовательно,
Е = - |GM/R0.
Но поскольку энергия скопления не изменяется, мы получаем
1
Ro = — R.
0	2
Поэтому скопление сжимается по радиусу в два раза, когда движения галактик
становятся хаотическими и они приходят в равновесие с гравитационным полем
скопления.
Аналогичные соображения применимы и к образованию эллиптических га-
лактик, если фрагментация на звезды в них происходит раньше, чем протогалак-
тика сожмется. Некоторые астрономы утверждали, что такое сжатие при отсут-
ствии диссипации позволяет объяснить округлую форму многих эллиптических
галактик.
350
ГЛАВА 13
17.	Образование звезд
Фрагментация сжимающегося облака продолжается до тех пор, пока не обра-
зуются звезды. Это происходит, когда возникают фрагменты, достаточно не-
прозрачные, чтобы помешать выходу излучения из них; это ослабляет процесс
охлаждения. Как только фрагменты нагреваются, силы давления оказываются
в состоянии уравновесить гравитацию, и тогда образуется протозвезда.
Масса Джинса дает нам минимальный размер самогравитирующего фраг-
мента на любой стадии. Фрагменты больших размеров тоже могут существо-
вать, но наименьший масштаб, на котором еще важна гравитация, дается крите-
рием Джинса. Мы можем также оценить массу Джинса для фрагмента, когда
впервые становится существенной непрозрачность. Рассмотрим первый из обра-
зовавшихся непрозрачных фрагментов, который удовлетворяет критерию Джин-
са. Темп охлаждения частиц в этом фрагменте (при температуре Т) в среднем
равен
^^/«Джннс эрг/(см3 - с),
где a-постоянная Стефана-Больцмана, которая определяет поток теплового из-
лучения при заданной температуре; она равна 4,6 • 10 5 эрг/(см2 • К4). Очень
грубо можно считать, что фрагмент излучает как черное тело. Излучение уходит
из фрагмента с глубины, примерно равной джинсовской длине. Характерное вре-
мя охлаждения равно тепловой энергии в объеме, деленной на темп, с которым
происходит охлаждение за счет излучения, или
/3	\
п( —кТ ]
\2	/
Схлажд ~	г
о г /Лджинс
где n-плотность частиц, ([-постоянная Больцмана, равная 1,38 • 10-16 эрг/К и
3/2(сТ-средняя энергия частицы. Численный множитель пригоден только для га-
за, состоящего из чистого атомарного водорода; если газ содержит тяжелые
элементы и является в основном молекулярным (как правило, так и бывает), то
необходимо ввести малый поправочный множитель.
Приравняем Гохлажд к времени гравитационного сжатия trpaB х (Gd)~1/2. Если
d = пт, где т-средняя масса частицы (равная массе протона, умноженной при-
мерно на 1,3, если мы учитываем присутствие гелия), то получаем
2ОТ4 \ Gd )
или
2
п = — <зТ512т112к~212.
3
Масса фрагмента равна
л	/1Т	1 \3/2
а 3 п j кТ 1 \
Юджине = * у «Джинс = у “	J .
Подставляя приведенное выше выражение для п и соответствующие значения
различных констант, мы находим, что критическая масса фрагмента равна
(кТ/тс2)'^ солнечных масс. Множитель (кТ/тс2)114 вариьируется от 0,001 до 0,01
при изменении Т в широком интервале 10-104 К. Когда облака остывают (в от-
сутствие внешних источников тепла), их температуры устанавливаются в этом
351
интервале. Фактически Т равно около 10 К в холодном молекулярном облаке.
Поскольку выражение для Мджиис совершенно нечувствительно к Т, мы видим,
что минимальный размер фрагментов будет существенно меньше, чем у самых
малых известных звезд, имеющих массы около 0,01 солнечных масс.
Процессы, отличные от фрагментации, такие, как аккреция и эффекты, свя-
занные с магнитными полями, несомненно, играют важную роль в определении
масс наблюдаемых звезд. Однако тот факт, что минимальные массы фрагмен-
тов оказываются сравнимыми с массами гигантских планет или с очень малыми
звездами, говорит о том, что, исследуя фрагментацию, мы избрали правильный
путь. Вполне возможно, что основная масса Вселенной существует в виде мало-
массивных звезд. Звезды, которые мы наблюдаем и которые в своем большин-
стве имеют массы больше нескольких десятых солнечной массы, могли образо-
ваться в результате столкновения между протозвездами и фрагментами
газового облака, из которых протозвезды образовались.
Некоторое представление о фактическом диапазоне масс звезд можно полу-
чить, проследив эволюцию протозвездных фрагментов на более поздних ста-
диях. Как только они становятся непрозрачными, продолжается медленное сжа-
тие, темп которого определяется степенью непрозрачности фрагмента. Чтобы
давление излучения заметно замедлило сжатие, масса протозвезды должна быть
ниже определенного критического значения, которое зависит от непрозрачности
вещества. Для обычного вещества эта критическая масса составляет около 0,2
солнечных масс. Протозвезды меньшего размера могли испытывать столкнове-
ния, а протозвезды побольше должны образовываться более легко. Этот резуль-
тат говорит о том, что величина 0,2 солнечные массы должна быть характерной
звездной массой. В самом деле, большинство звезд в Галактике имеют массы
0,1-1 солнечной массы.
Существенно более низкая непрозрачность первичного вещества (в котором
отсутствуют частицы пыли и элементы тяжелее гелия) увеличивает эту критиче-
скую массу до примерно 20 солнечных масс. Этот результат свидетельствует
в пользу того соображения, что звезды первого поколения, образовавшиеся
в отсутствие тяжелых элементов, возможно, были преимущественно довольно
массивными. Такая гипотеза, по-видимому, необходима для объяснения генера-
ции тяжелых элементов в эволюционирующих звездных ядрах. Впоследствии
первые звезды взрывались как сверхновые и выбрасывали обогащенное веще-
ство в межзвездную среду. После этого могли образовываться новые поколения
менее массивных звезд, конденсируясь из обогащенного вещества в ходе охла-
ждения и фрагментации.
18.	Времена жизни звезд различной массы
Массивные звезды обладают высокими светимостями и расточительно растра-
чивают свои запасы ядерного топлива. Поэтому они короткоживущие. Мало-
массивные звезды излучают сравнительно слабо; они экономно используют
ядерное топливо и являются долгоживущими.
Чтобы убедиться в справедливости этих утверждений, рассмотрим звезду
массы М, радиуса R и с центральной температурой Т, находящуюся в состоянии
гидростатического равновесия, т.е. мы предполагаем, что звезда является стати-
ческой: не сжимается, не разлетается. Равновесие между давлением и гравита-
цией можно описать, приравнивая тепловую и гравитационную энергии:
kT _ GM
т„ R
Светимость звезды можно приближенно выразить в следующем виде:
, аТ4
L ~ 4лЯ2 ——,
352
где 4лК2аТ4-количество энергии, излучаемое черным телом радиуса R. Про-
изведение dR в знаменателе (где d-средняя плотность) дает полную массу веще-
ства в столбе единичной площади с высотой, равной радиусу звезды. Чтобы вый-
ти из звезды, излучение должно преодолеть непрозрачность вещества. Чем
больше поверхностная плотность, тем меньше выходящий поток. Важно понять,
что непрозрачность снижает выход излучения из центра звезды, где температура
равна Т. (На поверхности звезды светимость может быть выражена через суще-
ственно более низкую поверхностную температуру Поверх соотношением L =
= 4лК2а7^оверх.)
Более точно, непрозрачность звездного вещества пропорциональна его
плотности. Выходящий поток ослабляется на величину, равную полной непроз-
рачности столба вещества, которая пропорциональна dR. В соответствии с этим
мы имеем
T4R	Т4 .
L----------------К4,
d	М
где d = ЗМ (4л/?3)'1. С учетом условия равновесия Т ~ М/R получаем
L~ М3.
Поэтому светимость звезды, грубо говоря, возрастает как третья степень ее
массы. Звезда в 10 солнечных масс должна быть в 1000 раз более яркой, чем
Солнце. Мы можем записать это соотношение следующим образом:
L=Lq (М/Мо}3,
где индекс О отмечает солнечные единицы (солнечную светимость и солнечную
массу).
Запасы ядерного топлива звезды, согласно формуле Эйнштейна Е = тс2,
пропорциональны ее массе. Когда водород синтезируется в гелий, всего лишь
0,7% первоначальной массы покоя высвобождается в виде энергии. Теперь мож-
но определить время жизни звезды. Поскольку полный наличный запас энергии
звезды находится в ее ядре (масса которого составляет примерно 10% массы
звезды), имеем
£ядеРн = 0,007-0,1 Me2 = 1051 (М/Мо) эрг.
Поэтому время жизни звезды на главной последовательности, когда происходит
горение водорода, дается соотношением
р
я дерн
ь~
ю51 (М/Мо)
3,8-1033 (М/Мо)3
= Ю10(М/Мо)“2 лет.
При выводе окончательного выражения мы воспользовались тем, что Lq =
= 3,8 1033 эрг/с, Mq = 2 1033 г и 1 год = 3,2-107 с. Звезда с массой 30Мо
является довольно короткоживущей (согласно более точным расчетам, ее жизнь
длится около 2 • 106 лет. Солнце, которое уже примерно 4 млрд, лет в качестве
ядерного топлива сжигает один только водород, исчерпает его запасы не ранее
чем через 10 млрд. лет.
Как только иссякает весь водород, быстро начинаются следующие стадии
ядерного горения гелия и более тяжелых элементов, пока не синтезируется желе-
зо. Звезда заканчивает свою жизнь либо совершенно спокойно, как белый кар-
лик, либо взрывным образом, как нейтронная звезда или черная дыра. Суждена
ли звезде мирная старость или бурная смерть, зависит от того, меньше или
больше ее конечная масса, чем примерно 3 Mq.
353
ГЛАВА 15
19.	Масса белого карлика
Чтобы понять, почему существует критическая масса для звездной устойчиво-
сти, рассмотрим, что происходит при эволюции звезды. Ядро звезды сжимается
до все большей плотности и температуры, по мере того как в ядерных реакциях
синтезируются все более тяжелые ядра. Конец наступает, когда синтезируется
железо; любой последующий коллапс не дает энергии, а, наоборот, должен по-
глощать ее. Поскольку звезда непрерывно теряет энергию на излучение, давле-
ние, противодействующее гравитации, ослабевает, и звезда коллапсирует, дости-
гая все больших плотностей.
Для звезд с массой ниже некоторой величины коллапс останавливается, ког-
да достигается критическая плотность, при которой атомы становятся настоль-
ко тесно упакованы, что возникает новый вид давления. Давление вырожденного
газа можно объяснить в рамках квантовой механики как явление, обусловленное
фундаментальным свойством электронов-никакие два электрона не могут нахо-
диться в одном и том же месте в одно и то же время. Мы можем оценить дав-
ление вырожденного газа, воспользовавшись принципом неопределенности Гей-
зенберга; этот принцип гласит, что нельзя одновременно определить скорость
и положение электрона. В математической форме принцип неопределенности
имеет вид
ДрДх = h,
где Др-неопределенность в импульсе электрона и Дх-неопределенность в его
положении; h - постоянная Планка. Поскольку электроны под действием давле-
ния могут сближаться друг с другом, пока расстояние между ними не станет
равным Дх, а электронная плотность есть (Дх)-3, мы можем написать
Др = hn113.
Давление Р, которое действует со стороны электронов, равно ишг(Дг)2 или
п(Лр)2/те (поскольку Др = теДц где ,те- масса электрона и Ди-неопределен-
ность в скорости). Следовательно, давление вырожденного газа равно
Р = п5/3 (h2/me).
Необычно в этом давлении то, что оно не зависит от температуры газа (т. е. от
хаотического теплового движения электронов).
В случае звезды в гидростатическом равновесии гравитация должна быть
уравновешена силой давления. Поэтому для звезды радиусом R получаем
GM	Р
₽ R2	R
Мы установили, что Р ~ п513; следовательно,
м	р	/ м \2/3
----------~ —
R	п	\R3 J
Отсюда следует, что радиус R пропорционален М-1/3. Чем более массивна звез-
да, тем она должна быть меньше. Это говорит о том, что должна быть предель-
ная масса, если только R со временем не уменьшится до нуля.
На самом деле в игру вступает другой физический эффект, который видоиз-
меняет выражение, выведенное для электронного давления. Электроны оказы-
ваются столь тесно прижатыми друг к другу, что скорости их хаотических дви-
жений приближаются к скорости света. В этом предельном случае давление,
обусловленное электронами, равно
Р = пс Др,
354
так что теперь Р = hcni:3. Давление релятивистского вырожденного газа про-
порционально плотности в степени 4/3, а не в степени 5/3.
Новое выражение для давления меняет ход наших рассуждений относитель-
но равновесия звезды. В этом случае
GM Р hen4-'3
следовательно,
М	he 1/3 he / М \1^
R	Gmp Gmp \ 4/3itR3mp J
Как ни странно, но радиус звезды отсутствует в этом соотношении, что упро-
щает получение критической массы:
/ he \3/2
М ( Gm2 У
Это предельная масса (известная как предел Чандрасекара) белого карлика; она
равна приблизительно 1,4Mq. Менее массивные звезды (с большими размерами
и меньшими плотностями) поддерживаются нерялитивистским вырожденным
давлением. Более массивные звезды не могут поддерживаться давлением выро-
жденных электронов и должны продолжать коллапсировать, пока сами атомные
ядра не сожмутся тесно. Тогда протоны и электроны сдавливаю'гся друг с дру-
гом, образуя нейтроны, которые становятся вырожденными. Но даже вырожде-
ние нейтронов не может остановить коллапс очень массивных звезд, из которых
образуются черные дыры.
Отношение hc/Gm2 в выражении для предела Чандрасекара-это безразмер-
ная величина, равная 1039. Она включает в себя две безразмерные величины: от-
ношение электростатической силы к гравитационной силе, действующих между
парой элементарных частиц, и множитель 2ne2/hc (равный '/и?), известный под
названием постоянная тонкой структуры; на этот множитель нужно поделить
отношение сил, чтобы получить величину hc/Gm2. Отношение электрических сил
к гравитационным так велико потому, что гравитация-это чрезвычайно слабая
сила в атомных масштабах. Поскольку в это выражение входят только фунда-
ментальные постоянные (h, с, G, тр), то предел Чандрасекара является фунда-
ментальной единицей звездной массы. Все звезды должны иметь массы, не
слишком отличные (не более чем примерно в 10 раз) от массы Солнца. У менее
массивных звезд образуются настолько плотные ядра, что они становятся выро-
жденными и никогда не нагреваются до достаточно высоких температур, необ-
ходимых для выгорания ядерного топлива. Звезды, более массивные чем 50 Mq,
развивают такое огромное давление излучения, что должны разлетаться.
ГЛАВА 16
20.	Закон Боде
Гадание на числах, по-видимому, сыграло свою роль в открытии планеты Неп-
тун в 1846 г. Особенности движения планеты Уран указывали на возможное су-
ществование еще одной планеты, которая ответственна за эти особенности. Од-
нако определить точное месторасположение этой новой планеты было нельзя,
не зная примерного расстояния до нее. Оценить это расстояние позволил закон
Боде, с помощью которого вычисляли расстояния до планет. Расстояние D до
н-й планеты (для Меркурия принимается п = — сю) находилось как
D„ = 0,4 + 0,3-2" “ 2 а.е.
355
Для Меркурия D = 0,4 а. е.; для Венеры (и = 2) D = 0,7 а. е.; для Земли (и = 3)
D = 1 а.е.; для Марса (и = 4) D = 1,6 а.е. Закон Боде предсказывал планету на
расстоянии 2,8 а. е. (и = 5) но там ее нет, зато примерно на этом расстоянии от
Солнца мы обнаруживаем пояс астероидов. Далее, мы получаем расстояния
5,2 а.е. для Юпитера (и = 6) 10,0 а.е. для Сатурна (и = 7) 19,6 а.е. для Урана
(и = 8) и 39 а. е. для Нептуна (и = 9) Этот метод дает точные расстояния до вну-
тренних планет, но перестает быть справедливым, начиная с Сатурна (действи-
тельное расстояние до него 9,6 а. е.); далее идут Уран (19,2 а. е) и Нептун
(30,1 а.е.). Закон Боде не может предсказать орбиту Плутона правильно.
Многие астрономы считают, что соответствие расположения планет закону
Боде не случайно и должно найти объяснение в теории происхождения Солнеч-
ной системы. Согласно этой точке зрения, Плутону с его эллиптической орби-
той, которая время от времени заходит внутрь орбиты Нептуна, часто приписы-
вают иное происхождение, нежели другим внешним планетам. Возможно,
Плутон начал свою жизнь в качестве спутника Нептуна и был потерян Непту-
ном в ходе случайного близкого пролета соседней звезды.
ГЛАВА 17
21.	Космологические тесты
а.	Плотность. Можно воспользоваться уравнением Фридмана; на сегод-
няшний момент принимаем Н = Но и d — d0. В результате получается уравне-
ние для константы кривизны:
8tcG
к - —-—(d0 — dKplIT) - H0(Q - 1),
где <4РиТ — 3Hp/8kG-величина плотности, соответствующая вселенной Эйн-
штейна-де Ситтера (к = 0), и Q = ^о/^крит- Отсюда непосредственно следует,
что если Q > 1 или d0 > dKplIT, то к положительно и вселенная закрыта тогда
как если Q < 1 или d0 < dKplIT, то к отрицательно, и тогда вселенная открыта.
Измерение d0 явилось бы поэтому решающим космологическим тестом. К сожа-
лению, мы имеем лишь нижний предел на величину d0, потому что возможны
многие формы несветящегося вещества. Этот нижний предел приближенно со-
ответствует Q = 0,1.
6.	Тест по соотношению красное смещение - звездная величина. Рассмотрим
далекую галактику светимости L, расстояние до которой, измеряемое в нашей
системе координат, есть г. Нам необходим более удобный способ вычисления
расстояний до галактик, чем использование координат, которые мы не можем
легко измерять. В качестве одного из решений этой проблемы введем понятие
болометрического расстояния. Поток излучения, принимаемый на Земле от га-
лактики, распределяется по сфере (с площадью 4лг2) и ослабляется за счет крас-
ного смещения. Энергия каждого фотона уменьшается в 1 + Z раз, и темп при-
хода фотонов снижается в такой же степени. Окончательно мы принимаем от
Галактики
L
поток = •; 2 7, , -ТСг' эрг/(см с).
4лг2 (1 + Z)2
Это дает эффективное болометрическое расстояние (по аналогии с понятием по-
тока от ближайших источников на расстоянии г, равного L/4itr2)
гбол = Г (1 + Z).
Если мы знаем L, то можно вычислить ГбоЛ, измеряя поток; следовательно, мы
имеем дело с величиной, которая может быть определена экспериментально.
Далее рассчитаем г вдоль фактического луча света. Эта процедура требует
использования общей теории относительности, однако результат оказывается
356
довольно простым. Для вселенной Эйнштейна-де Ситтера
2с Г 1
г= нГ|? ~ (1 + z)1/2J
Теперь можно воспользоваться определением звездной величины
т = М + 5 (1g г — 1)
(где г - болометрическое расстояние, выраженное в парсеках) и получить из этого
2с
т = М + 5 1g-----{1 + Z - (1 + Z)1'2} - 5.
Но
Это-соотношение между звездной величиной и красным смещением в плоской
вселенной. Искривленные фридмановские модели дают другие функции красно-
го смещения. Однако все модели выглядят очень одинаковыми при малых
красных смещениях, и в этом случае приведенное выше соотношение можно
переписать как
т = М + 5 (1g cZ - 1g Но) + 1,086 ( 1 - yfilz - 5.
Отсюда видно, что при малых красных смещениях связь между видимой звезд-
ной величиной т и 1g Z линейна.
Таким образом, график зависимости т от 1g cZ (где cZ тождественно скоро-
сти убегания галактики, если Z мало) должен представлять собой прямую ли-
нию, пересечения которой с каждой из осей позволяет определить величину Но
(в предположении, что мы знаем абсолютную звездную величину М). Сравнение
с формулой, по которой определяется т, показывает, что при малых красных
смещениях Z является непосредственной мерой расстояния, поскольку мы имеем
cZ = Ног. Для более удаленных объектов в выражение (т — 1g Z) входит кри-
визна, за счет нелинейного члена 1,086(1 — l/2Q)Z, который зависит от того,
является вселенная открытой или закрытой. Если вселенная открыта, то галак-
тика с заданным красным смещением обладает большей звездной величиной
и поэтому выглядит более слабой, чем она была бы в плоской вселенной. Ин-
туитивно мы можем представить пространство в открытой вселенной как бы
растянутым: расстояния в искривленном пространстве увеличены по сравнению
с соответствующими расстояниями в плоском пространстве. Если галактики
в прошлом были ярче, то нам следовало бы внести поправку на эволюционные
эффекты, уменьшив Q, т. е. сделав вселенную более открытой, чем она кажется.
в.	Угловые диаметры. Рассмотрим галактику, имеющую фактический диа-
метр d и видимый угловой диаметр А, расположенную на расстоянии г. Можно
показать, что связь между d и А имеет вид
d = М(1 + Z)-1.
И снова, хотя этот результат получен путем более сложного анализа, его смысл
совершенно ясен. Чтобы получить диаметр источника (определяемый локально),
мы должны взять произведение Аг и поделить его на (1 + Z). При малых
красных смещениях эта формула сводится к простой формуле, получаемой в ло-
кальной области, для которой расширение не существенно: d = гА. Угловой раз-
мер находим, подставляя полученное ранее выражение для г через cZ, которое
справедливо для вселенной Эйнштейна-де Ситтера:
А = (1 + Z)d/r = dHollc)-1 (1 + Z)[l - (1 + Z)1'2]-1.
Эта формула обладает интересным свойством: когда Z мало, А меняется
как Z-1 (т.е. обратно пропорционально расстоянию, как этого и следовало бы
ожидать для близких источников), тогда как при больших Z величина А должна
расти как 1 + Z [поскольку (1 + Z)-1/2 становится пренебрежимо малым по
сравнению с 1]. Другими словами, угловой диаметр проходит через минимум.
357
Во вселенной Эйнштейна-де Ситтера это фактически имеет место при красном
смещении 1,25. При больших красных смещениях галактики кажутся более ярки-
ми ! Этот совершенно неожиданный результат является следствием фокусировки
лучей гравитационным полем Вселенной, которая действует наподобие гигант-
ской линзы.
Подобный эффект имеет место даже в открытой фридмановской модели,
хотя и при больших красных смещениях; последнее связано с уменьшением гра-
витационного притяжения. В принципе это дает возможность различать космо-
логические модели, измеряя угловые диаметры очень далеких галактик. На
практике оказалось очень трудным провести этот тест, потому что изображения
галактик чрезвычайно нерезкие и границы изображений недостаточно опреде-
ленны. Угловой диаметр галактики при красном смещении 1 в большинстве слу-
чаев составляет всего лишь 3", что соответствует углу, под которым могла бы
быть видна двухкопеечная монета с расстояния 1 км. Связь между угловым диа-
метром и красным смещением предлагает более обещающий космологический
тест применительно к скоплениям галактик, размеры которых, по-видимому,
сравнительно одинаковы.
Найдя угловой диаметр галактики, легко получить ее поверхностную яр-
кость, от которой зависит, насколько заметна галактика на фоне неба. Поверх-
ностная яркость равна потоку излучения от галактики, деленному на ее види-
мую площадь, отнесенную к сфере единичного радиуса. (Эта угловая площадь
называется телесным углом.) Получаем соотношение
г	Г	j2 “1 — 1
поток	L it	а
WO™ -	- W(1^Z)4t(1 + z) < 
- «V(1L+Z).
Множитель L/Tt2d2 -это поверхностная яркость, как ее определил бы близкий
к источнику наблюдатель, а множитель, включающий красное смещение, обус-
ловлен космологическим расширением. Этот результат не требует каких-либо
дополнительных предположений о космологической модели-в самом общем
случае поверхностная яркость падает как четвертая степень красного смещения.
Мы уже сталкивались с проявлением этого эффекта и раньше (в приложении 8);
там он проявлялся в том, что плотность энергии фонового излучения щ зависе-
ла от красного смещения как (1 + Z)4 (что эквивалентно поверхностной яркости,
деленной на с).
г.	Подсчеты источников. Рассмотрим сначала статическую вселенную
с однородным распределением источников по светимости L. Если f есть поток
излучения от источника на расстоянии г, то
J .	2 ’
Следовательно, мы можем видеть источники с потоком выше f вплоть до рас-
стояний г, где
/ L \1/2
г = ----
\4я/ /
Полное число таких источников дается соотношением
N = — г2п0,
где и0-локальная плотность источников. Другими словами,
л	/ г \3/2
3	\ 4itf J
358
Таким образом, число источников растет обратно пропорционально потоку
в степени 3/2.
Можно непосредственно обобщить этот результат на случай вселенной
Эйнштейна-де Ситтера. Мы просто должны заменить г на болометрическое рас-
стояние гбол = r(l + Z). Тогда получаем
4л / L \3/2
Л (1+z)
3	\ 4л//
Другими словами, число источников с потоком выше некоторого заданного
уменьшается в (1 + Z)3 раз по сравнению со случаем, когда расширение
отсутствует.
Аналогичное уменьшение числа источников обнаруживается при рассмотре-
нии открытой или закрытой фридмановской модели; только теперь зависимость
числа источников от потока более сглажена по сравнению с законом обратной
пропорциональности потоку в степени 3/2. Можно построить кривую зависимо-
сти lg N от 1g/; ее наклон должен быть, следовательно, меньше чем 3/2, что
обусловлено космологическим красным смещением, т.е. при больших красных
смещениях обнаруживается меньше источников, чем ожидалось бы в нерасши-
ряющейся вселенной.
При подсчетах радиоисточников на самом деле обнаруживают более крутой
наклон-приблизительно 1,8. Это наиболее просто можно объяснить за счет эво-
люции-какой-то (или оба) из названных эффектов должен иметь место: либо
источники должны быть ярче (L возрастает), либо они должны встречаться более
часто (и0 возрастает); тогда соответствующие множители должны преобладать
над множителем (1 + Z)”3, т.е. обеспечивать увеличение числа источников при
более низких уровнях потока по сравнению с тем, что следовало бы ожидать
в нерасширяющейся вселенной. Таким образом, мы получим более крутой на-
клон, чем 3/2.
ЛИТЕРАТУРА
Читатель, желающий лучше разобраться в вопросах, изложенных в этой
книге, имеет возможность выбрать для себя дополнительную литературу. Об-
зоры по истории космологии можно найти в следующих книгах:
Charon J. Cosmology. New York: McGraw-Hill, 1970.
Ferris T. The Red Limit. New York: William Morrow, 1977.
MunitzM.K. Theories of the Universe. New York: Free Press, 1957.
North J.D. The Measure of the Universe. Oxford: Clarendon Press, 1950.
Элементарное изложение космологии Большого взрыва можно найти
в книгах:
Gamov G. The Creation of the Universe. New York: ViKing, 1961.
Bondi H. Cosmology. Cambridge University Press, 1961.
Эта работа содержит также прекрасное изложение теории стационарной вселен-
ной и других космологических теорий.
Первые минуты Большого взрыва и открытие космического микроволново-
го фонового излучения обсуждаются в книге:
- Weinberg S. The First Three Minutes. New York: Basic Books, 1977 (Вайн-
берг Г.С. Первые три минуты-M.: Энергоиздат, 1981).
Образованию Солнечной системы посвящены следующие книги:
Dermott S.F., ed. The Origin of the Solar System. New York: Wiley, 1978.
Field G.B., Verschuur G.L., C. Ponnamperuma. Cosmic Evolution. Boston:
Houghton Miffin, 1978.
- Hartman W. Astronomy: The Cosmic Journey. Belmont, Calif.: Wadsworth,
1978.
Среди небольших книжек, посвященных альтернативным космологическим
теориям, отметим следующие:
Alven Н. Н. Worlds-Antiworlds. San Francisco: Freeman, 1966.
Lemaitre G. The Primeval Atom. New York: Van Nostrand, 1950.
Книги для более подготовленного читателя:
Berry М. Principles of Cosmology and Gravitation. Cambridge: Cambridge
University Press, 1976.
Roman-Robinson M. Cosmology.
Oxford: Clarendon Press, 1977.
Sciama D. Modem Cosmology. Cambridge: Cambridge University Press, 1975
(Шама Д. Современная космология-M:: Мир, 1973).
Среди еще более специальных книг, требующих более высокого уровня чи-
тателя, укажем следующие:
Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля.-М.: Наука, 1973.
McVittie G. С., General Relativity and Cosmology. 2nd ed. London: Chapman
and Hall, 1965 (Маквитти Дж. К. Общая теория относительности и космоло-
гия.-М.: ИЛ, 1961).
Misner С., Thome К., J. Wheeler. Gravitation. San Francisco: Freeman, 1973
(Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация, в 3-х томах.-М.: Мир, 1977).
Peebles P.J.Е. Physical Cosmology. Princeton: Princeton University Press, 1971
(Пиблс П. Физическая космология-M.: Мир, 1975).
Tolman R. С. Relativity, Thermodynamics, and Cosmology. Oxford: Clarendon
Press, 1937 (Толмен P. Относительность, термодинамика и космология-M.: На-
ука, 1974).
WeinbergS. Gravitation and Cosmology. New York: Wiley, 1972 (Вайнберг C.
Гравитация и космология-M.: Мир, 1976).
360
Большое число обзорных статей посвящено более конкретным вопросам.
Они, как правило, более детальны и актуальны, чем названные книги.
Gott J. R. Recent Theories of Galaxy Formation. Annual Reviews of Astronomy
and Astrophysics, 15 (1977), 235-266.
Jones B.J.T. The Origin of Galaxies. Reviews of Modern Physics, 48 (1976),
107-150.
Schramm D.N., Wagoner R.V. Element Production in the Early Universe.
Annual Review of Nuclear Science, 27 (1977), 37-74.
Novikov I. D., Zel’dovich Ya. B. Physical Processes Near Cosmological
Singularities. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 11 (1973), 387-412.
Сборник обзорных статей, охватывающих целый ряд тем, включая свойства
галактик, внегалактические радиоисточники и наблюдательную космологию,
см.:
Sandage A., Sandage М., Kristian J., eds. Galaxies and the Universe. Chicago:
University of Chicago Press, 1975.
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
Абсолютная звездная величина. Видимая звездная величина, которую имела бы
звезда, если бы находилась на расстоянии 10 пс, принятом в качестве стандарта.
Абсолютная звездная величина Солнца равна 4,85.
Абсолютная яркость. Полная светимость объекта.
Адиабатические флуктуации. Флуктуации плотности как вещества, так и излуче-
ния, когда некоторый объем Вселенной испытывает сжатие, но так, что излуче-
ние при этом наружу не выходит. До эпохи отделения излучения от вещества
адиабатические флуктуации вели себя как волны в масштабах меньше размера
горизонта. После отделения излучения от вещества вступает в игру гравита-
ционная неустойчивость в масштабах больших, чем примерно 1013 масс Солнца;
меньшие адиабатические флуктуации должны были к этому времени уже затух-
нуть в более ранние эпохи.
Адрон. Любая элементарная частица (включая мезоны и барионы), которая уча-
ствует в сильных ядерных взаимодействиях.
Адронная эра. Промежуток времени, длившийся вплоть до примерно 10 “ 4 с по-
сле Большого взрыва, когда во Вселенной доминировало вещество, включающее
адроны, находящиеся в равновесии с полем излучения. Адронная эра закончи-
лась, когда характерная энергия фотонов упала ниже температуры, соответ-
ствующей массе покоя пиона, т.е. л-мезона (составляющей 270 электронных
масс), после этого осталось совсем мало адронов (приблизительно один адрон
на каждые 108 фотонов).
Аккумуляции теория. Теория, согласно которой планетезимали сталкиваются
друг с другом и сливаются, накапливая в конце концов достаточное для образо-
вания планет количество вещества.
Алъфвена-Клейна космологическая модель. В этой модели ранняя Вселенная
представляется в виде гигантского сжимающегося сферического облака из веще-
ства и антивещества. Когда достигается некоторая критическая плотность, веще-
ство и антивещество начинают аннигилировать, и выделение излучения и энер-
гии при аннигиляции приводит к расширению Вселенной. Эта модель
расширяющейся Вселенной сталкивается со многими трудностями и сильно про-
тиворечит совокупности наблюдательных данных.
Ангстрем. Мера длины 1 ангстрем (1 А) = 10“8 см.
Анизотропия. Нарушение изотропии, т.е. зависимость от направления.
Антинейтрино. Античастица по отношению к нейтрино.
Антипротон. Античастица по отношению к протону, имеющая ту же массу
и тот же спин, что и протон, но противоположный (отрицательный) заряд.
Античастица. Элементарная частица, которая по отношению к своей частице
имеет противоположный заряд, а во всем остальном тождественна частице.
362
Большая часть наблюдаемой Вселенной состоит из частиц и вещества, а не ан-
тичастиц и антивещества.
Астероиды. Малые, похожие на планеты тела в Солнечной системе. К настояще-
му времени их обнаружено более 1800 штук, и, возможно, существуют мил-
лионы астероидов еще меньших размеров. Самый большой из астероидов, Це-
рера, имеет в диаметре около 1000 км и масса его составляет 2 • 10-4 масс
Земли. Суммарная масса всех астеро..дов, по-видимому, не превышает 10 масс
Цереры.
Астрономическая единица (а.е). Среднее расстояние между Землей и Солнцем,
равное 1,496 • 1013 см, или 8,31 световым минутам.
Белый карлик. Плотная горячая звезда с малой светимостью, которая исчерпала
свои запасы ядерного горючего и находится на заключительной стадии своей
эволюции. Звезды с массами меньше 1,4 солнечных масс в конце концов стано-
вятся белыми карликами с типичными радиусами около 1% от радиуса Солнца
и с плотностями в диапазоне от 105 до 10* гем-3.
Белый шум. Совершенно случайный некоррелированный шум с одинаковой
мощностью на всех частотах.
Боде закон. Рецепт для вычисления расстояний до планет: расстояние до п-й
планеты равно 0,4 + 0,3 • 2" “ 2 а. е. (для Меркурия принимается п = — оо). Закон
Боде на удивление хорошо согласуется с истинными расстояниями вплоть до
Урана, но затем перестает работать.
Болометрическое расстояние. Если известна истинная светимость далекого
объекта, то измерение его видимой яркости в совокупности с законом обратных
квадратов позволяет рассчитать болометрическое расстояние. Для очень дале-
ких галактик существенную роль играет пространственная кривизна, и боломе-
трическое расстояние отличается от других определений расстояния.
Большого взрыва теория. Модель Вселенной, в которой пространство-время на-
чиналось из сингулярности и затем расширялось.
Бранса-Дикке теория. Модификация общей теории относительности Эйнштей-
на, которая для описания гравитации наряду с тензорным полем (как в теории
Эйнштейна) вводит еще и скалярное поле.
Взрывной ядерный синтез. Ядерные процессы, которые, как полагают, происхо-
дят в сверхновых. При температуре около 2 • 109 К происходит взрывное горе-
ние углерода и создаются элементы от неона до кремния. Взрывное горение кис-
лорода, происходящее при температурах, близких к 4 109К, создает ядра
с атомными массами от кремния до кальция. При еще более высоких темпера-
турах образуются еще более тяжелые элементы, вплоть до железа и даже
тяжелее.
Видимая звездная величина. Наблюдаемая яркость небесного тела, измеренная
в логарифмической шкале. Самые яркие звезды являются звездами первой вели-
чины. Чем слабее звезда, тем больше значение ее видимой звездной величины;
самые слабые звезды, видимые невооруженным глазом,-это звезды шестой
величины.
Вириала теорема. Для гравитационно-связанной системы усредненная по вре-
мени кинетическая энергия равна половине от модуля гравитационной потен-
циальной (отрицательной) энергии.
Виртуальные пары. Частицы и античастицы, существующие в течение крайне ко-
роткого времени, чаще как промежуточное состояние при ядерном переходе. Со-
14»
363
гласно теории Дирака, вакуум можно представить себе как множество вир-
туальных электронно-позитронных пар, которые можно высвободить или
разделить, только затратив достаточно большую энергию.
Вихревая теория. Космогония Солнечной системы по Декарту (1644), который
утверждал, что планеты и Солнце аккумулировались из вещества, участвующего
в вихревых движениях во всех масштабах.
Возраст Вселенной. Время, прошедшее после сингулярности; согласно теории
Большого взрыва, оно оценивается в 7-20 млрд. лет.
Вырождения давление. Давление в вырожденном электронном или нейтронном
газе.
Вырожденное вещество. Состояние вещества, обнаруживаемое в белых карликах
и других сверхплотных объектах, в котором проявляются сильные отклонения
от законов классической физики. По мере увеличения плотности при заданной
температуре давление растет все быстрее и, наконец, перестает зависеть от тем-
пературы, а зависит только от плотности. В этот момент газ, как принято гово-
рить, становится вырожденным.
Вязкость. Внутреннее трение в газе или жидкости, из-за которого поток веще-
ства испытывает сопротивление и диссипацию.
Газовая фрагментация. Систематическое разбиение газового облака на все
меньшие части по мере того, как газ охлаждается, продолжая сжиматься. Пока
облако может свободно излучать, гравитационные силы все время превосходят
препятствующие им градиенты давления; вследствие этого масса Джинса падает
и фрагменты разбиваются на еще более мелкие части. Этот процесс прекращает-
ся лишь после того, как в игру вступает непрозрачность, препятствующая осты-
ванию и излучению.
Г ало. Протяженное, почти сферическое облако, состоящее из старых звезд и ша-
ровых скоплений, которое окружает спиральную галактику.
Гамма-лучи. Фотоны с очень высокой энергией и очень короткой длиной волны;
наиболее энергичная и проникающая форма электромагнитного излучения.
Гейзенберга соотношение неопределенностей. Неопределенность в определении
положения элементарной частицы обратно пропорциональна неопределенности
в определении ее импульса. Поэтому невозможно проводить измерение атомно-
го или ядерного процесса с произвольной точностью; измерение будет вносить
возмущение в ход процесса.
Гелиоцентрическая космология. Модель Вселенной, в которой Солнце находится
в центре мира, а вокруг него на разных расстояниях расположены планеты
и звезды.
Геоцентрическая космология. Модель Вселенной, согласно которой Земля нахо-
дится в центре, а Солнце, планеты и звезды обращаются вокруг Земли.
Гидростатическое равновесие. Равновесие между направленной внутрь гравита-
ционной силой и направленным наружу давлением газа и излучения в звезде.
Гиперболическое пространство. Трехмерное пространство, геометрия которого
аналогична геометрии седлообразной поверхности; принято говорить, что оно
имеет отрицательную кривизну.
Гипергалактика. Система, состоящая из главной спиральной галактики, окру-
женной карликовыми спутниковыми галактиками, чаще всего эллиптическими.
Наша Галактика и галактика Андромеды являются гипергалактиками.
364
Главная последовательность. Основная последовательность звезд на графике, по
осям которого отложены светимость и эффективная температура (диаграмма
Герцшпрунга-Рессела). Более 90% наблюдаемых нами звезд лежат на главной
последовательности и остаются на ней в течение всей фазы горения водорода.
Наблюдаемый верхний предел на массу звезд главной последовательности со-
ставляет примерно 60 солнечных масс, при этом более массивные звезды
являются неустойчивыми, а вычисленный нижний предел равен 0,085 солнечным
массам, при этом в менее массивных звездах невозможно загорание водорода.
Глобальная инерциальная система отсчета. Система координат или система от-
счета, жестко закрепленная относительно общего распределения вещества во
Вселенной.
Глобула Бока. Компактное квазисферическое темное межзвездное облако. Харак-
терные массы составляют примерно 20 солнечных масс, а характерные ра-
диусы-около 1 светового года. Глобулы Бока, возможно, предшествуют форми-
рованию протозвезд.
Голубое смещение. Сдвиг спектральных линий в сторону более коротких волн
в спектре источника излучения, движущегося к наблюдателю.
Горизонт. Граница наблюдаемой области Вселенной. Протяженность этой обла-
сти ограничена тем расстоянием, которое успевает пройти свет за время, про-
шедшее после сингулярности.
Гравитационная неустойчивость. Процесс, за счет которого в бесконечной среде
флуктуации с размерами, превышающими определенную характерную длину
(длину Джинса), растут под действием собственной гравитации. В расширяю-
щейся Вселенной этот рост вследствие расширения замедляется, но неустой-
чивые флуктуации в конце концов сжимаются в устойчивые, гравитационно свя-
занные системы.
Гравитационная потенциальная энергия. Энергия, которую может приобрести
тело, падающее в гравитационном поле, и которая убывает с ростом кинетиче-
ской энергии. Не существует единого уровня (аналогичного состоянию покоя те-
ла при определении кинетической энергии), относительно которого отсчитывают
потенциальную энергию, и поэтому мы, как правило, определяем изменение гра-
витационной потенциальной энергии как работу (с обратным знаком), совершае-
мую гравитационными силами при изменении положения тела.
Гравитационное красное смещение. В гравитационном поле свет испускается
с меньшей частотой и с большей (т. е. более красной) длиной волны, чем при от-
сутствии гравитационного поля. Гравитационное красное смещение излучения
от белого карлика составляет примерно 10~4; этот эффект был также измерен
в гравитационном поле Земли, где он составляет 10~9. Вблизи черной дыры эф-
фект может быть существенно больше, поскольку он пропорционален массе те-
ла, деленной на его радиус.
Гравитон. Квант гравитационного излучения.
Давления градиент. Разность давлений между двумя близкими областями жид-
кости или газа приводит к возникновению силы, действующей со стороны обла-
сти высокого давления в сторону области малого давления. В звезде благодаря
наличию горячей плотной внутренней области и более холодных, разреженных
поверхностных слоев обеспечивается направленный наружу градиент давления,
который уравновешивает направленную внутрь силу гравитационного притяже-
ния и тем самым стабилизирует звезду.
Двойная звезда. Система из двух звезд, обращающихся вокруг общего центра.
Визуальными двойными называются те системы, в которых каждую из компо-
365
нент можно увидеть в телескоп по отдельности; спектральные двойные можно
обнаружить благодаря переменным радиальным скоростям составляющих ее
звезд.
Двух струй модель. Теоретическая модель для объяснения радиогалактик, со-
гласно которой компактный объект в ядре галактики испускает два пучка бы-
стро движущейся плазмы, которые проходят сотни тысяч световых лет, в конце
концов расплескиваются и останавливаются в окружающем межгалактическом
газе, где последующая их диссипация обеспечивает энергией «радиоуши».
Дейтерий. Первый тяжелый изотоп водорода, его ядро состоит из одного про-
тона и одного нейтрона. Как и водород, атом дейтерия имеет один электрон
и обладает одинаковыми с водородом химическими свойствами, образуя, напри-
мер, тяжелую воду (HDO). Распространенность дейтерия в межзвездном про-
странстве составляет примерно 1,4 • 10“5 от распространенности водорода.
Джинса длина. Критическая длина волны, выше которой осцилляции (т.е. зву-
ковые волны) в бесконечной однородной среде начинают испытывать гравита-
ционную неустойчивость. Флуктуация плотности с размером больше длины
Джинса отделяется под действием собственной гравитации от остальной среды,
образуя устойчивую связанную систему.
Джинса масса. Масса, заключенная внутри сферы с диаметром, равным джин-
совской длине.
Длина волны. Электромагнитное излучение характеризуется длиной волны или
частотой, произведение этих двух величин равно скорости света. Длина волны —
это расстояние между двумя следующими друг за другом волновыми фронтами
(на которых интенсивность имеет максимум), а частота-это число волновых
фронтов, проходящих через заданную точку за секунду. В видимой области,
в оптическом диапазоне, свет имеет длины волн 4000-7000 А и частоту
7-1014—4-1014 Гц.
Доплера эффект. Смещение спектральных линий в излучении, принимаемом от
движущегося источника, обусловленное относительным движением источника
вдоль луча зрения. Движение по направлению к наблюдателю приводит к голу-
бому смещению, а движение от наблюдателя-к красному смещению.
Закрытая вселенная. Космологическая модель Фридмана-Леметра, в которой
пространство конечно й имеет положительную кривизну; в будущем вселенная
должна сжиматься.
Закрытое пространство. Пространство с конечным дбъемом , но не имеющее
какой-либо границы (в космологическом контексте).
Затухание. Постепенное исчезновение осцилляции или волны за счет сил
вязкости.
Звездная величина. Мера (в логарифмической шкале), используемая для характе-
ристики яркости небесного объекта. Разница на одну звездную величину в ярко-
сти двух звезд соответствует различию в светимости в 100,4, или 2,51, раз;
5 звездных величин соответствуют отличию в светимости в 100 раз.
Идеальный космологический принцип. Гипотеза, лежащая в основе теории ста-
ционарной вселенной. Вселенная, согласно этой гипотезе, предстает одинаковой
для всех наблюдателей повсюду и во все времена. Эти наблюдатели всегда дол-
жны были бы видеть примерно одно и то же крупномасштабное распределение
вещества во Вселенной по всем областям и по всем направлениям.
Иерархическое образование структур. Процесс постепенного образования в си-
стеме гравитирующих частиц все более крупных гравитационно связанных групп
366
и скоплений. Малые скопления сливаются в большие скопления, информация
о составных частях при этом почти полностью теряется. Эллиптические галакти-
ки могли образоваться в ходе слияний скоплений звезд размером с шаровые
звездные скопления; аналогичным образом могли образоваться и скопления
галактик.
Изотермические флуктуации. Флуктуации плотности вещества без каких-либо
связанных с ними возмущений плотности излучения. Таким образом, температу-
ра излучения остается однородной. До эпохи отделения излучения от вещества
изотермические флуктуации были как бы заморожены-они не росли и не зату-
хали; после эпохи отделения излучения от вещества изотермические флуктуации
становятся гравитационно неустойчивыми, если их масса превосходит джинсов-
скую массу, составляющую примерно 10й масс Солнца.
Изотропия. Отсутствие зависимости от направления.
Иррадиация (облучение). Подверженность действию интенсивного потока бы-
стрых нейтронов или ионизующего излучения. Внешние слои сверхновой испы-
тывают облучение нейтронами, испущенными в ходе коллапса ядра, приводяще-
го к образованию нейтронной звезды. Нейтроны вступают в реакции с
атомными ядрами, приводя к образованию более тяжелых элементов.
Квазар. Объект, который выглядит похожим на звезду, но в спектре эмис-
сионных линий обнаруживается большое красное смещение. Квазары обладают
самой большой светимостью из всех известных во Вселенной объектов.
Квантовая механика. Теория взаимодействия вещества и излучения, в основе ко-
торой лежит исходная идея Планка о том, что излучающие тела испускают из-
лучение дискретными порциями, или квантами, энергия которых пропорцио-
нальна частоте света.
Кинетическая энергия. Энергия, связанная с движением; это работа, которую
необходимо затратить, чтобы тело, находившееся в состоянии покоя, привести
в состояние движения; для тела с массой т, движущегося со скоростью v, кине-
тическая энергия равна mv2/2.
Кольцевая галактика. Галактика, имеющая форму кольца. Кольцо включает яр-
кие голубые звезды, но в центральных областях светящегося вещества сравни-
тельно мало. Думают, что такая система сначала была обычной галактикой, ко-
торая недавно испытала лобовое столкновение с другой галактикой.
Комета. Тело, состоящее из разреженного газа и твердых частиц, движущееся
вокруг Солнца по очень вытянутой траектории, которая может проходить вну-
три орбиты Земли, а потом уходить на расстояния свыше 10* а. е. Кометы
являются неустойчивыми телами с массами около 10“10 масс Земли. В среднем
они совершают за свою жизнь не более 100 прохождений мимо Солнца. Лишь
4% известных комет периодически возвращаются к Солнцу.
Комптоновская длина волны. Дуалистическая природа частиц и волн приводит
к тому, что с каждой элементарной частицей связана фундаментальная длина
волны, равная И/тс, где И-постоянная Планка, с-скорость света, а' т-масса
частицы.
Корреляционная функция для галактик. Величина, определяющая степень ску-
ченности галактик для совокупности большого числа галактик. Двухточечная
корреляционная функция есть вероятность найти галактику на заданном рас-
стоянии от другой произвольно выбранной галактики.
Космическое микроволновое фоновое излучение. Рассеянное изотропное излуче-
ние, имеющее тепловой спектр с температурой 3 К и, следовательно, являющее-
ся наиболее интенсивным в микроволновой области спектра.
367
Космогония. Наука, изучающая происхождение небесных тел и систем: от Сол-
нечной системы до звезд, галактик и скоплений галактик.
Космологическая постоянная. Член, добавленный Эйнштейном в уравнения гра-
витационного поля с тем, чтобы они допускали статическую модель Вселенной.
Эта добавка соответствовала с самого начала введению космических сил оттал-
кивания, которые могли бы противостоять гравитационному притяжению.
Космологический принцип Коперника. Гипотеза, предполагающая, что Вселенная
однородна и изотропна в самых больших масштабах. Согласно этой гипотезе,
наблюдатель, где бы он ни находился, видит в данный момент космического
времени примерно одну и ту же картину крупномасштабного распределения ве-
щества во Вселенной.
Космология. Наука, изучающая крупномасштабную структуру и эволюцию
Вселенной.
Красное смещение. Сдвиг спектральных линий в сторону больших длин волн
в спектре удаляющегося источника излучения.
Красное смещение - видимая звездная величина, тест. Космологический тест,
включающий нанесение на диаграмму красных смещений и видимых звездных
величин далеких галактик. Отклонения от соотношения, ожидаемого в случае
евклидова пространства, могут помочь выяснить, является Вселенная открытой
или закрытой. Этот тест весьма чувствителен к эволюционным эффектам (т.е.
к тому, были ли галактики ярче или слабее в прошлом).
Красный гигант. Красная звезда с большой светимостью, исчерпавшая запасы
водорода в ядре и ушедшая в ходе эволюции с главной последовательности. Ее
ядро сжалось и достигло температуры выше той, при которой происходит горе-
ние гелия; по мере расширения внешних областей звезды возникла протяженная
оболочка.
Кулоновский барьер. Чтобы атомные ядра вступили в реакции, они должны пре-
одолеть силы отталкивания, действующие между любой парой одинаково заря-
женных частиц. При высоких температурах ядра движутся достаточно быстро
и могут преодолеть кулоновский барьер. Чем больше заряд ядра, тем большие
требуются температуры для протекания ядерных реакций.
Лайман-альфа линия. Характерная для атомарного водорода спектральная ли-
ния, связанная с возбуждением его основного состояния. Соответствующая дли-
на волны равна 1216 А и лежит в далекой ультрафиолетовой области спектра,
вот почему эту линию можно наблюдать только со спутника или в спектрах
квазаров с большими красными смещениями.
Лептон. Элементарные частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях;
к ним относятся электроны, мюоны и нейтрино.
Лептонная эра. Эра, следующая за адронной эрой, когда Вселенная состояла
главным образом из лептонов и фотонов. Она началась, когда температура упа-
ла ниже 1012 К, т.е. примерно с 10~4 с после Большого взрыва, и продолжалась
до того момента, когда температура упала ниже 1О10 К, в эпоху, соответствую-
щую 1 с после Большого взрыва. В этот период характерная энергия фотонов
упала ниже энергии покоя электрона и концентрация электронно-позитронных
пар понизилась на много порядков величины. На каждые 108 фотонов сохранил-
ся всего лишь один электрон. Непосредственно после этого во Вселенной доми-
нировало излучение (имелось также значительное количество нейтрино, но они
непосредственно с веществом или излучением не взаимодействовали).
Лобовое (динамическое) давление. При движении необтекаемого тела со сверх-
звуковой скоростью через окружающую его газовую среду возникает сильное
368
сопротивление, или лобовое давление, действующее на тело. При движении га-
лактики через межгалактический газ лобовое давление способно выметать из га-
лактики значительное количество межзвездного газа.
Локальная инерциальная система отсчета. Система координат, или система от-
счета вблизи Земли, в которой справедлив первый закон Ньютона, т.е. это не-
ускоренная система отсчета.
Масса и энергия покоя. Энергия покоя определяется уравнением
Е = тс2,
где m-масса частицы, с-скорость света. Энергия покоя обычно высвобождает-
ся, когда частица аннигилирует со своей античастицей.
Масса-светимость отношение. Отношение массы системы, выраженной в сол-
нечных массах, к ее визуальной светимости, выраженной в солнечных светимо-
стях. Во внутренних областях Млечный Путь имеет отношение массы к свети-
мости, равное 10; это указывает на то, что типичная звезда в нем-карлик
с массой около половины массы Солнца. Богатое скопление галактик, подобное
Коме, имеет отношение массы к светимости 200, что указывает на присутствие
в скоплении значительного количества темной материи.
Массивная черная дыра. Используется в теоретических моделях квазаров и ак-
тивных ядер галактик. Согласно этой модели источником энергии служит паде-
ние (и возникающий в результате разогрев) газа и звезд в сверхмассивную цен-
тральную черную дыру.
Маха принцип. Гипотеза, согласно которой локальная инерциальная система от-
счета и инерция любого тела определяются распределением всего вещества во
Вселенной.
Межгалактический газ. Вещество, присутствующее в области между галактика-
ми. Был обнаружен в значительных количествах в больших скоплениях галак-
тик, где межгалактический газ является настолько горячим, что излучает огром-
ное количество рентгеновского излучения. Пока нет окончательных доказа-
тельств присутствия межгалактического газа в некоторых группах галактик,
включая Местную группу; возможно, там присутствуют облака нейтрального
водорода.
Местная группа галактик. Система галактик, к которой принадлежит наш
Млечный Путь, содержащая всего лишь две большие спиральные галактики (на-
шу Галактику и галактику Андромеды, М 31) и около 20 более мелких систем.
Метагалактика. Синоним Вселенной.
Метеор. «Падающая звезда»-полоска света, стремительно прочеркивающая
ночное небо, создаваемая прохождением метеорного тела через земную атмос-
феру. Сверкающее метеорное тело-это небольшое каменное или железное тело,
сгорающее прежде, чем оно успевает достичь поверхности Земли.
Метеориты. Твердая часть метеорного тела, которая достигает земной поверх-
ности. Имеется три типа метеоритов: каменные, железные и железокаменные; их
размеры варьируются в широких пределах-от микрометеоритов до метеоритов
размером с астероид. Согласно оценкам, ежедневно на Землю падает несколько
сотен тонн метеоритного вещества.
Метеорный поток (дождь). Большое число метеоров, которые видны в течение
нескольких часов так, словно все они разлетаются из одной точки на небе. Ме-
теорные потоки часто связаны с кометами.
Молекулярных облаков комплекс. Область протяженного излучения молеку-
лярных линий плотным холодным межзвездным газом. Часто имеется несколь-
369
ко отдельных максимумов интенсивности, каждый из которых соответствует от-
дельным сгусткам или облакам из газа и пыли в области с характерной
протяженностью до 50 световых лет; эти сгустки нередко связаны со звездами
типа Т Тельца, т. е. с молодыми, еще не вступившими на главную последова-
тельность звездами, а также с горячими массивными звездами и ионизованным
газом вокруг них.
Монотонный. Либо все время растущий, либо все время убывающий.
Наблюдаемая Вселенная. Та часть Вселенной, которую мы можем видеть с по-
мощью самых больших телескопов. Ее крайняя граница определяется размером
горизонта.
Нейтрино. Частица с нулевой массой покоя, не имеющая заряда, но обладаю-
щая спином. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом и позволяют
в принципе изучать физические условия в центральном ядре Солнца и других
звезд.
Нейтронная звезда. Звезда, ядро которой состоит преимущественно из нейтро-
нов, что, как считают, имеет место при плотностях, превышающих 1014 г/см3.
Такое состояние достигается звездой на заключительной стадии ее эволюции,
когда ядерное горючее исчерпано и звезда слишком массивна, чтобы стать
белым карликом. Звезды с массами 6-30 солнечных, как принято думать, обра-
зуют нейтронные звезды. Максимальная масса нейтронной звезды около 4 сол-
нечных масс, а остальное вещество выбрасывается либо в течение предшество-
вавшей эволюции в виде стационарного потока массы (как на стадии
планетарной туманности), либо во время взрыва сверхновой, когда образуется
нейтронная звезда. Пульсары представляют собой замагниченные нейтронные
звезды с массами примерно 1-2 солнечных масс и с типичными радиусами
10 км.
Неправильная галактика. Галактика без спиральной структуры, часто волокни-
стая или очень рыхлая и, как правило, обладающая малой массой (107—1О10 масс
Солнца).
Новая. Звезда, проявляющая внезапное увеличение светимости, которая может
возрастать в 106 раз. Взрыв выбрасывает оболочку вещества, но не разрушает
звезду; феномен новой часто повторяется у одной и той же звезды. Новые обна-
руживают в тесных двойных системах, одна из компонент этих двойных являет-
ся красным карликом, который, как полагают, теряет в настоящее время массу;
последняя перетекает к его компаньону, являющемуся белым карликом. Нако-
пление вещества на поверхности белого карлика неустойчиво и приводит в кон-
це концов к взрыву.
Ньютоновская космология. Наиболее простые космологические модели, в том
числе и стандартные модели Большого взрыва, которые можно получить в рам-
ках классической теории гравитации Ньютона, хотя для доказательства право-
мерности использования ньютоновской теории в бесконечной среде необходима
теорема Биркгоффа, доказываемая в общей теории относительности.
Область Н II. Область светящегося иониз ванного газа, который окружает мас-
сивные молодые и горячие звезды и ионизован их излучением.
Обратные движения. Движение в направлении, обратном преимущественному
направлению движения.
Обратных квадратов закон. Закон, справедливый для гравитационных и электро-
магнитных сил, согласно которому величина силы убывает обратно пропорцио-
нально квадрату расстояния.
370
Олъберса парадокс. Парадокс, сформулированный немецким астрономом Генри-
хом Ольберсом в 1826 г. Упоминания об этом парадоксе можно найти и в более
ранних трудах других ученых, например у де Чезо, более чем за столетие до
Ольберса. Парадокс заключается в следующем: почему ночью небо темное, если
Вселенная бесконечна? Теперь мы знаем, что некоторые предположения, сде-
ланные Ольберсом (явно или неявно), не вполне корректны.
Остаток взрыва сверхновой. Расширяющаяся газовая оболочка, выброшенная со
скоростью около 10000 км/с при взрыве сверхновой, наблюдается как расши-
ряющаяся разреженная газовая туманность, часто имеющая оболочечную струк-
туру. Остатки сверхновых, как правило, являются мощными радиоисточниками.
Отделение излучения от вещества. Быстрый переход от ионизованного состоя-
ния при красном смещении 1000, когда тепловое излучение испытывало рассея-
ние на свободных электронах, к неионизованному состоянию, когда вещество
находится преимущественно в виде атомов водорода, которые практически не
рассеивают излучение. После этого излучение не взаимодействует с веществом,
пока в более позднюю эпоху вещество не будет ионизовано снова излучением от
квазаров и вновь образующихся галактик.
Открытая вселенная. Космологическая модель Фридмана-Леметра, в которой
пространство является бесконечным с отрицательной кривизной или евкли-
довым; эта модель будет все время расширяться.
Открытое пространство. Пространство бесконечного объема и ничем не огра-
ниченное (в космологическом контексте).
Параллакс. Угол, под которым видна одна астрономическая единица (среднее
расстояние между Землей и Солнцем) с расстояния, на которое удалена соседняя
звезда.
Параметрическое представление. Неявный способ выражения решения диффе-
ренциального уравнения через произвольный параметр. При изменении этого
параметра параметрическое выражение принимает переменные значения, ко-
торые должно принимать фактическое решение.
Парсек (пс). Расстояние, с которого одна астрономическая единица видна под
углом 1" (1 пс = 3,086  1018 см = 3,26 св. лет).
Первичные кварки. Полагают, что все барионы и мезоны состоят из кварков, ко-
торые являются элементарными частицами с дробным зарядом. На сверхплот-
ной, горячей фазе очень ранней Вселенной большое число кварков должно было
находиться в равновесии с другими элементарными частицами. По мере расши-
рения и остывания Вселенной некоторые из этих кварков могли сохраняться.
В какой мере независимые свободные кварки могли выжить-это нерешенная
проблема физики элементарных частиц.
Первичный огненный шар. Горячая плотная ранняя стадия Вселенной (пред-
сказываемая теорией Большого взрыва), когда Вселенная была заполнена в ос-
новном излучением с очень высокой энергией, которое впоследствии расширя-
лось и остывало и теперь наблюдается как космическое микроволновое фоновое
излучение.
Первичный хаос. Концепция, согласно которой ранняя Вселенная могла быть
в высшей степени нерегулярной и неоднородной. С помощью этой концепции,
может быть, удастся понять происхождение структуры во Вселенной и объяс-
нить, почему в очень больших масштабах Вселенная является однородной
и изотропной.
371
Переменной массы теория. Теория Хойла и Нарликара, согласно которой пред-
полагается, что массы фундаментальных частиц изменяются со временем так,
чтобы в точности объяснить закон красного смещения Хаббла.
«Перемешанного мира» модель. Космологическая модель, в которой вселенная
однородна, но сильно анизотропна,-вселенная расширяется с различными ско-
ростями в двух направлениях и одновременно сжимается в третьем направле-
нии, затем все повторяется в других направлениях. Любая выбранная порция ве-
щества будет попеременно проходить через блинообразные и сигарообразные
конфигурации, объем которых по мере расширения вселенной постепенно
увеличивается.
Период-светимость зависимость. Корреляция между светимостями и периода-
ми переменных звезд-цефеид.
Планетарная туманность. Разреженная расширяющаяся оболочка, состоящая
из ионизованного газа, окружающая горячую, сильно проэволюционировавшую
звезду.
Планетезимали. Твердые тела размером с астероид, которые, согласно гипотезе,
образовались, когда протосолнечная туманность сжималась в диск и фрагменти-
ровала. Большая часть планетезималей впоследствии аккумулировала в пла-
неты.
Планка закон излучения. Распределение по частоте интенсивности теплового из-
лучения, которое можно записать в следующем виде:
Bv = 2йу3с“2 [exp (Hv/kT) — I]-1,
где Й-постоянная Планка, Т-температура излучения, v-частота.
Планковский момент. Момент в Большом взрыве, ранее которого теория грави-
тации Эйнштейна не справедлива и необходима квантовая теория гравитации.
Это время можно записать как (ОЙ/с5)1/2, где G-ньютоновская гравитационная
постоянная, Й- постоянная Планка и с-скорость света; это время равно 10“43 с.
Плотность энергии. Количество энергии в виде излучения, приходящееся на еди-
ницу объема и выраженное в эрг/см3. Плотность энергии теплового излучения
с температурой Т равна аТ4, где константа излучения а =
= 7,56 • 10“15 эрг/см3 К4.
Поглощение. Процесс перехода электрона с внутренней на внешнюю орбиту во-
круг ядра, вызванный падением света с длиной волны, соответствующей энер-
гии, которую приобретает электрон. На каждый электрон, который совершает
этот переход, тратится один квант света с этой характерной длиной волны.
Подсчет числа источников, тест. Космологический тест, который состоит
в подсчете всех галактик вплоть до определенной предельной величины и в пов-
торении этой процедуры для все более слабых предельных величин. Отклонение
от соотношения, предсказываемого для евклидова пространства, может помочь
решить вопрос, является ли Вселенная открытой или закрытой. Практически же
этот тест дает сильное ограничение на модели эволюции галактик и их свети-
мость в прошлом.
Позитрон. Античастица электрона, имеющая положительный заряд, а во всем
остальном такая же, как электрон.
Полураспада период. Промежуток времени, необходимый для того, чтобы распа-
лась половина массы любого заданного количества радиоактивного вещества.
Поток. Мера мощности излучения, падающего за единицу времени на единицу
площади; измеряется в эрг/см2-с.
372
Пояс астероидов. Область пространства между Марсом (расположенным на рас-
стоянии в 1,5 а.е. от Солнца) и Юпитером (5,2 а.е.), где расположена большая
часть астероидов.
Приливная сила. Разность гравитационных сил, действующих на любое протя-
женное тело в гравитационном поле другого тела.
Приливная теория. Теория, объясняющая происхождение Солнечной системы
прохождением массивного тела вблизи Солнца. В первоначальном варианте
приливной теории, принадлежащем Буффону (1785), рассматривалось прохожде-
ние кометы, но в современных вариантах этой теории речь идет о проходящей
мимо Солнца звезде. Газовое вещество, вырванное из Солнца приливными сила-
ми, согласно этой теории, конденсировалось в планеты; однако эта теория была
вытеснена теорией туманности.
Пространство-время. Три физические пространственные измерения в комбина-
ции с временем, которое трактуется как четвертое измерение, составляют про-
странственно-временной континуум, в рамках которого строится теория относи-
тельности.
Протогалактика. Галактика в ранней своей фазе-до того, как она приобрела
свою сегодняшнюю форму и звездный состав.
Прото галактическое газовое облако. Массивное газовое облако, которое сжима-
лось, образуя галактику. Такие облака возникали в результате непрерывного
роста флуктуаций плотности после эпохи отделения излучения от вещества.
Протозвездное ядро. Наименьшие непрозрачные сгустки, на которые разбивает-
ся сжимающееся облако межзвездного газа. Характерная масса протозвездного
ядра всего лишь 0,01 солнечной массы. Ядро растет за счет аккреции по мере
того, как окружающее вещество падает на него, и достигает звездной массы че-
рез 105 лет после момента образования. На этой стадии оно представляет собой
протозвезду-огромный комок из сжимающегося вещества, которое излучает
главным образом в далекой инфракрасной области.
Протосол печная туманность. Медленно вращающееся облако газа и пыли, из
которого сформировалась Солнечная система.
Пульсар. Вращающаяся замагниченная нейтронная звезда. Радиопульсары были
открыты в 1967 г., они испускают радиоимпульсы с высокой степенью регуляр-
ности. К настоящему времени в нашей Галактике обнаружено свыше 100 пульса-
ров с периодом от 0,03 с до примерно 3 с. Предполагают, что магнитное поле
на поверхности пульсара достигает 1012 гаусс.
Радиан. Единица углового размера; 2л радиан равняются 360°.
Радиационная эра. Эра от примерно 1 с до З Ю5 лет после Большого взрыва,
когда излучение являлось доминирующей составляющей Вселенной.
Радиогалактика. Галактика, обладающая очень высокой светимостью в радио-
диапазоне.
Радиоинтерферометр. Две (или более) отдельные антенны, каждая из которых
одновременно принимает излучение от одного и того же источника. Разные сиг-
налы проходят слегка различные пути до соответствующих антенн и поэтому
приходят немного не в фазе; если их сложить вместе, то они дают характерную
интерференционную картину, по которой можно восстановить угловую структу-
ру компактного радиоисточника.
Радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами. Радиоантенны, располо-
женные в нескольких тысячах километров друг от друга, используются в каче-
373
стве отдельных элементов радиоинтерферометра для определения структуры ра-
диоисточников в чрезвычайно малых угловых масштабах.
Радиоуши. Протяженные области диффузного радиоизлучения (имеющие часто
форму гантели) вокруг радиогалактики.
Рассеяние. Процесс поглощения и переизлучения света во всех направлениях без
заметного изменения частоты. Рассеяние излучения свободными электронами
являлось основным источником непрозрачности в ранней Вселенной.
Релаксация. Процесс гравитационного взаимодействия (в случае скопления звезд
или галактик), за счет которого в конце концов устанавливаются неупорядо-
ченные движения. При этом говорят, что система релаксировала в состояние
теплового равновесия.
Релятивистская космология. Приложения общей теории относительности Эйнш-
тейна к космологии. Космологические модели Большого взрыва были впервые
выведены из уравнений релятивистской космологии, которые необходимы при
многих применениях этих моделей.
Релятивистские частицы. Частицы, скорости которых близки к скорости света.
Рэлея-Джинса предел. Приближение к распределению энергии, характерному
для излучения черного тела, справедливое при достаточно больших длинах волн
(много больших, чем длина волны, на которую приходится максимум распреде-
ления).
Салпитера функция. Простая функциональная интерполяция распределения по
массам вновь образующихся звезд. Называемая также функцией начальных
масс звезд, функция Салпитера (число звезд, образовавшихся в единичном
интервале масс) пропорциональна т-2,35. где т-масса звезды.
Саха уравнение. Уравнение, определяющее число атомов данного вида на раз-
личных стадиях ионизации в газе в тепловом равновесии при заданной темпера-
туре и полной плотности.
Сверхгалактическая плоскость. Видимая плоскость симметрии, проходящая че-
рез скопление галактик Дева; вблизи этой плоскости концентрируются многие
из ярчайших галактик на небе. Эти галактики образуют Местное сверхскопле-
ние.
Сверхновая. Чудовищное увеличение светимости, достигающее 108 раз, возни-
кающее в результате выброса внешней оболочки звезды и коллапса внутреннего
ядра, образующего нейтронную звезду. Звезда с массой более 8 масс Солнца
становится сверхновой, когда исчерпает внутренние запасы ядерного горючего.
Сверхскопление. Скопление скоплений галактик, имеет протяженность до 108 све-
товых лет.
Световой год. Расстояние, которое свет в вакууме проходит за год, равное
9,46 • 1017 см.
Свободно-свободное излучение. При ускорении несвязанного (т. е. свободного)
электрона протоном или атомным ядром возникает электромагнитное излуче-
ние.
Сейфертовская галактика. Небольшой по численности класс спиральных галак-
тик (включающий примерно 1% от полного их числа), ядра которых характери-
зуются высокой светимостью и имеют голубой цвет; в спектрах сейфертовских
галактик наблюдаются интенсивные широкие эмиссионные линии.
374
Сильные взаимодействия. Короткодействующие ядерные взаимодействия, благо-
даря которым ядра не распадаются. Характерная для сильного взаимодействия
длина равна 10“13 см, характерный временной масштаб составляет 10-23 с.
Сингулярность. Область пространства-времени, в которой нарушаются из-
вестные физические законы и кривизна пространства-времени становится беско-
нечной.
Синхротронное излучение. Излучение, испускаемое заряженными релятивистски-
ми частицами, движущимися по спиралям в магнитных полях. Ускоренное дви-
жение зарядов является причиной этого излучения. Радиогалактики и остатки
взрывов сверхновых являются интенсивными источниками синхротронного из-
лучения. Для синхротронного излучения характерны высокая степень поляриза-
ции и нетепловой спектр.
Скопление галактик. Объединение галактик. Скопления по своему богатству
варьируются в широком диапазоне-от самых маленьких групп, подобных на-
шей Местной группе, которые насчитывают от 10 до 100 членов, до огромных
скоплений, включающих свыше 1000 галактик.
Скрытая масса. Вещество, о присутствии которого можно судить по динамиче-
ским измерениям, но которое оптически не проявляется. Светящиеся области
в галактиках имеют отношения массы к светимости около 10. Однако отноше-
ние массы к светимости во внешних гало многих спиральных галактик равно
100 или больше; видно, что яркость резко падает с расстоянием от центра га-
лактики, хотя там имеется значительное количество массы. С аналогичной си-
туацией мы сталкиваемся в большинстве скоплений галактик, где несветящаяся
материя должна давать основной вклад в самогравитацию, благодаря которой
скопление не разлетается. Принято считать, что скрытая масса состоит либо из
остатков массивных звезд, либо из объектов планетарных размеров, сравнимых
по массе с Юпитером.
Слабые взаимодействия. Короткодействующие силы в ядрах, ответственные за
радиоактивность и распад некоторых нестабильных нуклонов, в частности нейт-
ронов. Слабые взаимодействия происходят примерно в 1013 раз медленнее, чем
сильные взаимодействия. Нейтрино-это элементарная частица, которая в пер-
вую очередь связана со слабыми взаимодействиями.
Собственное движение. Видимое систематическое угловое перемещение звезд по
небесной сфере, обусловленное их движением в поперечном направлении по от-
ношению к лучу зрения.
Солнечный ветер. Радиальный поток горячей плазмы от солнечной короны.
Солнце выбрасывает за год примерно 10-13 своей массы в виде звездного ветра,
который уносит не только массу Солнца, но и угловой момент.
Сопутствующая сфера. Мысленная произвольная сферическая поверхность (во-
круг произвольной точки), которая расширяется вместе с остальной Вселенной.
Относительно сопутствующей сферы частицы покоятся.
Составных частиц теория. Класс теорий элементарных частиц, согласно ко-
торым имеется возрастающее число состояний элементарных частиц все боль-
шей и большей массы.
Сохранения углового момента 'закон. Полный угловой момент изолированной
динамической системы не меняется в ходе эволюции этой системы.
Сохранения энергии закон. Полная энергия системы (включающая кинетическую
и гравитационную потенциальную энергию) сохраняется, т.е. остается неизмен-
375
ной. Так, кинетическая энергия может возрастать только за счет гравитационной
потенциальной энергии. Современная физика несколько модифицировала закон
сохранения энергии (поскольку могут происходить рождение и аннигиляция ве-
щества), обобщив его на закон сохранения массы и энергии.
Спектр. Разложение света по длинам волн. Спектр данного элемента или хими-
ческого соединения содержит характерные спектральные линии.
Спектральные линии. Излучение или поглощение на дискретных длинах волн
(или частотах), вызванное атомными или молекулярными переходами.
Спектроскопия. Методы расщепления света на его составные цвета, т. е. методы
получения спектров.
Спиральная галактика. Галактика с хорошо заметным уплотнением в ядре и све-
тящимися спиральными рукавами, которые состоят из газа, пыли и молодых
звезд; они выходят из ядра и закручиваются. Массы лежат в диапазоне
101О-1012 солнечных масс.
Спиральные волны плотности. Волна, обусловленная локальным увеличением
гравитационного поля, которое создает серию чередующихся сжатий и разреже-
ний, по мере того как волна распространяется с фиксированной угловой ско-
ростью по вращающейся галактике. Сжатие воздействует также на межзвездный
газ в галактике, вызывая образование звезд на переднем крае спиральных рука-
вов. Крупномасштабную структуру спиральных галактик можно объяснить
именно таким образом.
Средняя длина свободного пробега. Среднее расстояние, которое проходит части-
ца, прежде чем она испытает заметное отклонение или соударение.
Стандартная модель Большого взрыва. Космологические модели Фридмана-Ле-
метра изотропной и однородной вселенной, состоящей из расширяющихся веще-
ства и излучения. Есть три возможности при выборе геометрии пространства
в стандартной модели Большого взрыва: пространство может иметь положи-
тельную кривизну (как поверхность на сфере), в этом случае вселенная является
конечной, закрытой и в конце концов должна начать сжиматься; пространство
также может быть либо евклидовым, либо иметь отрицательную кривизну (как
на седлообразной поверхности), в этих двух случаях вселенная является беско-
нечной, открытой и будет расширяться вечно. Во всех этих трех моделях про-
странство не имеет границ.
Стандартные свечи. В астрономии это класс звезд или галактик, светимости ко-
торых одинаковы и не меняются с возрастом.
Старение света. Гипотеза, согласно которой свет, проходя через межгалактиче-
ское пространство, может терять энергию и тем самым увеличивать свою длину
волны, испытывая красное смещение. Это дает альтернативное по отношению
к модели Большого взрыва объяснение красных смещений далеких галактик.
Однако нет никаких указаний на то, что эффект старения света действительно
имеет место.
Статистический параллакс. Средний параллакс для группы звезд, находящихся
примерно на одном и том же расстоянии, определяемый по радиальным скоро-
стям и собственным движениям.
Стационарной вселенной теория. Космологическая теория, развитая Бонди, Гол-
дом и Хойлом; вещество, согласно этой теории, рождается непрерывно, запол-
няя пустоту, возникающую при расширении вселенной. Следовательно, вселен-
ная не должна иметь ни начала, ни конца и в ней всегда должна поддерживаться
одна и та же средняя плотность. Требуемая скорость рождения составляет всего
376
лишь 1 атом в 1 м3 за 10 млрд, лет или примерно 1 атом на 10 км3 за год. Была
доказана несостоятельность теории стационарной вселенной, и большинство
космологов в последнее время от нее отказывались.
Сферическое пространство. Трехмерное пространство, геометрия которого сход-
на с геометрией сферы; говорят, что оно имеет положительную кривизну.
Телесный угол. Мера углового размера протяженного объекта, равная площади
проекции этого объекта на сферу единичного радиуса.
Температура радиационная. Температура черного тела, которое излучает на дан-
ной частоте с той же интенсивностью, что и источник излучения.
Тепловое (равновесное) излучение. Излучение, у которого распределение интен-
сивности по длинам волн такое же, как и у излучения черного тела.
Тепловое равновесие. Равновесие, в которое приходит система, находящаяся
в тесном контакте с термостатом при заданной температуре.
Термоядерный синтез. Образование атомных ядер в ходе ядерных реакций либо
в Большом взрыве, либо внутри звезд. Лишь легкие элементы (а именно гелий
и дейтерий) производятся в значительных количествах в ранней Вселенной; бо-
лее тяжелые элементы синтезируются в звездах.
Тонкой структуры постоянная. Константа взаимодействия е2/йс, приближенно
равная 3/137 (где е-заряд электрона, Й-постоянная Планка, с-скорость света),
определяющая силу взаимодействия между заряженной частицей и электромаг-
нитным полем.
Тритий. Радиоактивный нестабильный изотоп водорода. Ядро трития состоит
из двух нейтронов и одного протона. Время полураспада трития 12 лет.
Т Тельца звезды. Яркие переменные звезды с низкой эффективной температурой
и резкими эмиссионными линиями, связанные с облаками межзвездного газа
и обнаруживаемые в очень молодых скоплениях. Полагают, что эти звезды еще
находятся в стадии гравитационного сжатия и не перешли на главную последо-
вательность, т.е. в них еще не началось горение водорода.
Туманности теория. Согласно этой теории происхождения Солнечной системы,
медленно вращающееся разреженное газовое облако сжималось и охлаждалось,
коллапсируя в тонкий диск, который фрагментировал, и в конце концов, в нем
образовывались планеты. В это время вещество, обладающее малым угловым
моментом, собиралось в ядре, формируя Солнце.
Туманность. Термин, применявшийся первоначально ко всем без исключения
размытым туманным пятнам на небе. Многие из них, как теперь известно,
являются далекими галактиками, другие находятся в нашей собственной Галак-
тике-это планетарные туманности, оболочки новых, остатки взрывов сверх-
новых и облака ионизованного газа.
Углистые хондриты. Каменные метеориты, в которых присутствуют углеродные
соединения. Это самые древние образцы вещества в Солнечной системе.
Угловой момент. Мера момента, связанного с вращением; вычисляется относи-
тельно выбранной в качестве начала координат точки следующим образом: си-
стема разбивается на множество элементов или частиц, затем суммируются век-
торные произведения радиусов, соединяющих каждую из частиц с началом
координат, и импульсов каждой частицы. Угловой момент изолированного тела
сохраняется.
377
Флуктуации плотности. Локальные увеличения плотности (либо одного веще-
ства, либо как вещества, так и излучения) в ранней Вселенной. Чтобы объяснить
последующее образование галактик, необходимо считать, что вначале эти флук-
туации были очень малы (меньше 1%).
Фотон. Квант света; дискретная порция электромагнитной энергии. Фотон
имеет нулевую массу покоя.
Фотосфера. Видимая поверхность Солнца. Вообще, тот слой звезды, который
дает непрерывное (в противоположность спектральным линиям) излучение, испу-
скаемое звездой.
Фраунгоферовы линии. Линии поглощения в спектре Солнца были впервые изу-
чены Йозефом Фраунгофером в 1814 г.
Фридмана-Леметра вселенные. Три стандартные модели Большого взрыва, по-
строенные Фридманом и Леметром.
Фридмана уравнение. Уравнение, выражающее сохранение энергии в расширяю-
щейся Вселенной. Формально оно было получено из уравнений поля в общей
теории относительности Эйнштейна в предположении, что Вселенная всюду
однородна и изотропна.
Функция светимости. Распределение галактик по их светимостям.
Хаббла закон. Расстояние от нас до галактик прямо пропорционально их крас-
ному смещению и поэтому прямо пропорционально их относительной скорости
удаления от нас, если скорости малы по сравнению со скоростью света.
Хаббла постоянная (Н). Постоянный коэффициент пропорциональности в соот-
ношении, связывающем расстояния от нас до галактик и скорость их удаления.
В настоящее время большинство астрономов отдает предпочтение значению Н,
равному 50км/с-Мпс, или 15 км/с св. год, хотя в два раза большее значение
Н также совместимо с совокупностью астрономических данных.
Химическая дифференциация. Разделение различных элементов (часто отделение
более тяжелых элементов от более легких) вследствие различных химических
реакций.
Хондры. Маленькие сферические крупинки, состоящие, как правило, из железа,
магния или силикатов алюминия, похожие на стекло, обнаруживаемые в виде
вкраплений в древние каменные метеориты. Размеры вкраплений варьируются
от микроскопических величин до размеров дробинки.
Цефеида, переменная звезда. Принадлежит группе очень ярких пульсирующих
звезд-сверхгигантов, названных в честь прототипа, звезды 5-Цефея. Для класси-
ческих цефеид (I типа) характерны периоды 5-10 дней; они наблюдаются в срав-
нительно молодых галактических скоплениях звезд. Цефеиды II типа имеют ха-
рактерные периоды 10-30 дней и обнаруживаются главным образом в шаровых
скоплениях. Светимости цефеид пропорциональны их периодам, но для каждого
типа характерны свои соотношения между периодом и светимостью.
Чандрасекара предел. Предельная масса белых карликов, равная 1,4 солнечных
масс для невращающегося белого карлика. Выше этой критической массы белый
карлик не может удерживаться давлением вырожденных электронов от гравита-
ционного коллапса.
Частицы межзвездной пыли. Малые, похожие на снежинки частицы в межзвезд-
ном газе, имеющие размеры 10~6-10-5 см. Они состоят в основном из силика-
тов; сильно поглощают, рассеивают и поляризуют видимый свет с длиной вол-
378
ны, сравнимой с их размером, и переизлучают свет в далекой инфракрасной
области спектра. Величина поглощения в видимом диапазоне зависит от длины
волны и приводит к ослаблению и покраснению света от звезд.
Черная дыра. Масса, испытавшая гравитационный коллапс, из которой ни свет,
ни вещество, ни какие-либо другие сигналы не могут выйти наружу. Черная ды-
ра образуется тогда, когда гравитационное поле становится настолько сильным,
что скорость убегания (вторая космическая скорость) приближается к скорости
света.
Черное тело. Идеальное тело, которое поглощает падающее на него излучение
всех длин волн. Это идеальный поглотитель и, следовательно, идеальный излу-
чатель. Излучение, испускаемое черным телом, зависит только от его темпера-
туры.
Черные мини-дыры. В хаотической ранней Вселенной черные дыры могут обра-
зовываться в очень ранние эпохи, вплоть до планковского момента. Характер-
ная масса черных мини-дыр равна 10“6 г, т.е. минимальной массе коллапсирую-
щей неоднородности на тот момент. Большие черные мини-дыры могут
образовываться в более поздние эпохи. Поскольку в общепринятых теориях
звездной эволюции показывается, что лишь очень массивные звезды могут
образовывать черные дыры, то возможное образование черных мини-дыр
является уникальной особенностью очень ранней Вселенной.
Шварцшильда радиус. Горизонт событий сферической черной дыры; крити-
ческий радиус, с которого свет не может уйти на бесконечность. Шварцшильдов-
ский радиус звезды с массой Солнца равен 3 км.
Эддингтона-Леметра вселенная. Космологическая модель, в которой важную
роль играет космологическая постоянная, благодаря чему допускается существо-
вание начальной фазы, идентичной статической вселенной Эйнштейна. После
произвольно большого времени вселенная начинает расширяться. Трудность
этой модели состоит в том, что начало образования галактик фактически приво-
дит к сжатию, а не к расширению вселенной.
Эйнштейна-де Ситтера вселенная. Модель Фридмана-Леметра, в которой про-
странство является евклидовым.
Эйнштейна статическая вселенная. Космологическая модель, в которой вселен-
ная является статической (не расширяющаяся и не сжимающаяся), это дости-
гается введением космологической силы отталкивания (в виде космологической
постоянной), которая уравновешивает гравитационную силу.
Эксперимент по обнаружению анизотропии микроволнового фонового излучения.
Эксперимент по измерению интенсивности космического микроволнового излу-
чения в различных направлениях. Фундаментальное предсказание, вытекающее
из космологического происхождения этого излучения, состоит в том, что движе-
ние Земли относительно далеких областей Вселенной должно быть обнаружимо.
Эффект сводится к увеличению яркости (примерно на 10“3 К) в направлении на-
шего движения и к соответствующему уменьшению яркости в противополож-
ном направлении.
Электрон-вольт. Энергия, которую приобретает электрон, проходя разность о-
тенциалов в 1 вольт. 1 эВ равен 1,6 10“'2 эрг.
Эллиптическая галактика. Галактика, имеющая плавную и аморфную структуру
в форме эллипсоида без спиральных рукавов. Эллиптические галактики краснее
спиральных галактик той же массы. Гигантские эллиптические галактики содер-
жат свыше 1013 солнечных масс в звездах, тогда как карликовые эллиптические
галактики имеют массы меньше 107 масс Солнца.
379
Эмиссия. Процесс перехода электрона с внешней орбиты на внутреннюю орби-
ту, в результате чего выделяется характерное количество энергии (излучается
спектральная линия), соответствующее потере энергии электроном.
Энтропия. Количественная мера беспорядка в системе.
Эпициклов теория. Способ объяснения видимых движений планет круговыми
движениями в рамках геоцентрической модели. Каждая планета движется по
окружности, центр которой перемещается по окружности большего радиуса
и т. д., в центре самой большой окружности находится Земля.
Эпоха отделения излучения от вещества. Эпоха примерно 3 • 10s лет после
Большого взрыва, когда космическое тепловое излучение испытало последнее
рассеяние на веществе. В эту эпоху, соответствующую красному смещению по-
рядка 1000 и температуре около 3000 К, протоны и электроны соединялись
в атомы водорода, которые практически прозрачны для излучения.
Эпоха термоядерного синтеза. Эпоха, следующая за лептонной эрой, 1-1000 с
после Большого взрыва, когда образовались нейтроны и происходил синтез ге-
лия и дейтерия.
Ядро галактики. Самая внутренняя область галактики, в которой часто концен-
трируются звезды и газ, иногда простирается на тысячи световых лет от центра
галактики.
ПРЕДМЕТНО-ИМЕННОИ
УКАЗАТЕЛЬ
Абсолютная яркость 44
Адиабатические флуктуации 156,
157, 160
Адронная эра 126
Адроны 112
Аккумуляции теория 287-293
Альтернативные космологические
теории 97, 315-328
Альфа-Центавра 39
Ал ьфвена - Клей на	космологиче-
ская модель 319-321
Альфвен Ханес 319
Аминокислоты 294
Ангстрем 50
Андромеды галактика 45, 56, 58,
185
вращение и масса 194
Анизотропия 15, 150
Аннигиляция 112-114
и антивещество 123-125
Антивещество 123-125, 320
Антигалактики 319-321
Антинейтрино 126, 134, 135
Антипротон 115
Античастицы 112, 123
Антропный космологический прин-
цип 13
Аристарх 23, 25
Аристотель 19-21, 23-25
Арпа объекты 317, 318
Арп Холтон 317, 318
Астероиды 277
орбиты 277
пояс 280
Бааде Вальтер 78, 242
Белые карлики 259-261
масса 259-261, 356-358
Биркгоф Гаррет 96
Блинообразная форма газового
облака 162
Боде закон 277, 355, 356
Бока глобулы 240, 241
Бок Барт Дж. 240
Большого взрыва модели 14-16,
102-108
Большое Магелланово облако 185
Большое сжатие 312
Бонди Герман 14
Браге Тихо 26, 30, 224
Бранса-Дикке теория 322
Бранс Карл 321
Брукса комета 282
Бруно Джордано 89, 91
Буффон Жорж Луис 285
Бэрбидж Дж. Р. 255
Бэрбидж Е. М. 255
Вела туманность 272
Венера
вращение 292
фазы 28
Веретенообразная галактика 179
Вещество
и антивещество 123-125, 320
остывание 144-146
отделение от излучения 142-144
плотность 137, 138
Взаимодействующие галактики 183
Взрывной ядерный синтез 267, 268
Виртуальные пары частиц 116
Вихревая теория 282-284
381
Внегалактическая шкала расстоя-
ний 40-45, 49
Возраст Вселенной 69-71
Возраст звезд 74, 76, 225
Вокулер Жерард 59
Вращение
галактик 193, 194, 242-248
планет 21, 23, 291, 292
Времени шкала 73-78
Вселенная 102
будущее 310-314
жизнь во 296-297
закрытая см. Закрытая вселен-
ная
массы плотность 298-301
сжимающаяся 322
холодная 326, 327
Выделенные масштабы масс
156-158, 164
Выживающие структуры 163
Вырождения давление 260, 261
Вырожденное вещество 259-261
Вязкость 161
Газ см. Межгалактический газ
Газовая фрагментация 162-165,
229, 230
звезд образование 171-173
Газовые облака см. Прото галак-
тические газовые облака
Галактики
веретенообразные 179
взаимодействие друг с другом
183
вращение 193, 194, 242-248
время образования 348, 349
выделенные масштабы 164
гипергалактика 200
диски в 176, 199, 200
и антигалактики 123-125,
319-321
и космологические тесты
304-307
и флуктуации плотности 346,
347
каннибализм среди 180-183, 303
карликовые 200-202
кольцевые 181, 183
корреляционная функция 167,
168
морфология 174, 242-256
обогащение 226
образование 165-170
подсчеты числа, тест 306, 307
пожирание и релаксация 180-183
происхождение 147-158
радиогалактики 79-82, 203-222
размеры 347, 348
светимость 46, 47, 163, 170, 171
сейфертовские 214
скопления см. Скопления галак-
тик
скрытая масса 192-196
слияние 174—176
SO-галактики 179, 180
и лобовое (динамическое) да-
вление 252
образование 199, 200
столкновения 190-192
спиральные см. Спиральные га-
лактики
столкновения 174—176, 180-183,
190-192
сфероидальные 175
хаббловское расширение 309, 310
характерные массы 347, 348
цвета 253-255
эллиптические см. Эллиптиче-
ские галактики
Галлилей 28, 30
Галлея комета 282, 283
Гало 175, 180
старые звезды 225
Гамма-лучи 115
Гамов Г. А. 83, 203
Гейзенберга соотношение неопре-
деленностей 111
Гелий во Вселенной 87, 88, 128,
129
Гелиоцентрическая космология 12,
20
Геоцентрическая космология 12,
23, 24
382
Геркулеса HZ 264, 265
Геркулес Х-1 264, 265
Герцшпрунга-Ресселла диаграмма
74
Гершель Уильям 30, 31
Гиперболическое пространство 93
Гипергалактики 200
Гиады, скопление звезд 42
Главная последовательность 230
Глобальное измерение 64
Голд Томас 14
Голубое смещение 54
Голубые галактики 49, 190
Гончие псы 77
Горизонты 93-95
Гравитационная неустойчивость
154, 344-346
Г равитационная	потенциальная
энергия 96
Гравитационное красное смеще-
ние квазаров 214
Гравитационное приливное воз-
действие см. Приливные силы
Гравитация в флуктуациях плот-
ности 153
Гравитация переменная 321, 322
Гравитон 116, 117
Давления градиент 258
Датирования Вселенной методы
78
Движущегося скопления метод 41,
42
Двойные звезды 53
Двух струй модель радиогалакти-
ки 212
Девы скопление 12, 60, 166, 185
и хаббловское расширение 309
сверхскопление 61
скорость относительно космиче-
ской системы отсчета 68
Дейтерий 87, 88, 129-132
и плотность массы 308, 309
Декарт Рене 282, 285
Деления ядерная реакция 259
Де Ситтер Виллем 34, 35
Джинс Джеймс 285
Джинса масса 160
Дикке Роберт 83, 84, 322
Дирак Пауль 321
Диски
галактики 176, 196, 206
звезд 248
протопланеты 291
Длина волны 54, 55
Доплера эффект 54, 55, 57
Доплеровское смещение 136, 330,
331
Евдокс 21, 25
Железо
в межгалактическом газе 187-190
и взрывы сверхновых 225
Жизнь
во Вселенной 296-297
на Земле 293-296
Жофрей Гарольд 285
Закрытая вселенная 104
будущее 309-313
дейтерий 308, 309
термоядерный синтез 128
Закрытое пространство 93
Затухание флуктуаций 154-156
Звездные величины 60
Звезды
белые карлики см. Белые карли-
ки
возраст 72, 78, 79, 225
время жизни звезд различных
масс 352, 354
в современную эпоху образова-
ние звезд 232-234
Герцшпрунга- Ресселла диа-
грамма 74
и дейтерий 308, 309
и квазары 219
и магнитные силы 247
массивные см. Массивные звезды
массы 72, 78-85
начальная функция масс 238
нейтронные звезды 261-265
нормальные и бедные металла-
ми звезды 236, 254
383
образование 171, 172, 223-241,
351, 352
первые звезды 227-232
спектры 52
цвета 252-254
шаровые скопления см. Ша-
ровые звездные скопления
эволюция 227-232
ядерная эволюция 258, 259
Зельдович Я. Б. 109
Земля
жизнь 293-296
образование 293-296
прозрачность атмосферы 80
Зонды космологические
галактики как 302-307
квазары как 308
Идеальный космологический прин-
цип 13
Иерархическое образование струк-
тур 167
Излучение
земной атмосферы прозрач-
ность для 80
синхротронное 204
тепловое (равновесное) см. Те-
пловое (равновесное) излуче-
ние
фоновое см. Фоновое излучение
Изотермические флуктуации 156,
157
Изотропия Вселенной 13, 99, 147
Инерциальная система отсчета
64—68
Иррадиация (облучение) 268
Каменные метеориты 278
Кант Иммануил 30, 286
Карликовые галактики, образова-
ние 200-202
Карты
Вселенной 66
и кривизна пространства 89-93
радиоисточников 81
скопления галактик 186
Каталог взаимодействующих га-
лактик 183
Квазары 129, 203-222
как космологические зонды 308
красные смещения 209, 211
кривая блеска 217
массивной черной дыры модель
219-221
модель 219-221
Квазизвездный радиоисточник см.
Квазар
Квантовая механика 111, 115
Кварки 118, 119
Кеплер Иоганн 26, 28, 30, 224
Кинетическая энергия 96
Клейн Оскар 319
Кольца Сатурна 281, 289
Кольцевые галактики 181, 183
Кома, скопление галактик 48
Кометы 279, 281-283
образование 293
Комптоновская длина волны 111
Конденсации последовательность
и Солнечная система 287
Коперник Николай 13, 25, 26, 30
Коперника учение 13, 25-27
Короткоживущие блины 162
Короткоживущие структуры 163
Космическая шкала времени 72-78
Космогония И
Космологическая постоянная 32
Космологические тесты 359-363
Космология 11, 284, 286
гелиоцентрическая 12, 20, 24
геоцентрическая 12, 23, 24
ньютоновская 95-97
релятивистская 96, 105
Крабовидная туманность 262, 263,
271
пульсар в 262, 263
Красное смещение 54, 146
в теории, учитывающей старе-
ние света 316, 317
в теории стационарной вселен-
ной 318, 319
и кривизна пространства 303—
-305
и образование скоплений галак-
тик 166
384
и Ольберса парадокс 63
и расстояние 57
квазаров 212, 214, 215
Красное смещение-видимая звезд-
ная величина,, тест 304, 305,
359, 360
Красный гигант, эволюция 259
Кривая блеска квазара 217
Кривизна пространства 89-93,
302-307
Крупномасштабная неоднород-
ность 152
Крупномасштабная структура Все-
ленной 66
Лайман-альфа линия квазаров 212
Лаплас Пьер Симон 286
Лебедь Х-1 как черная дыра 266,
267
Левитт Генриетта 42-44
Леметра вселенная 107, 108
Леметр Жорж 33, 34
Лептонная эра 126
Лептоны ИЗ, 126
Ликская обсерватория 308
Лобовое (динамическое) давление
190
межгалактического газа 251-253
Локальная система отсчета 64
Магеллановы облака 45, 185
Магнитное поле галактики 247
Магнитные силы и аккумуляции
теория 287
Магнитным полем ускорение 288
Малое Магелланово облако 185
Марс, расстояние до него 98
Масса
белого карлика 260, 261, 354, 355
Вселенной 299-301
выделенные масштабы 156-158,
164
галактик 347, 348
и дейтерий 308, 309
распределение звезд по 235-241
скрытая 192-196
Масса и энергия покоя 112
Масса-светимость	отношение
192, 193, 301
Массивная черная дыра как мо-
дель квазара 219-221
Массивные звезды 235-241
и нейтронные звезды 261-265
и тяжелые элементы 271
Мах Эрнст 64, 65
Маха принцип инерции 64, 65, 68
М87 галактика 77
Межгалактический газ 187-190
и квазары 219
и плотность массы Вселенной
299-301
и столкновения между галакти-
ками 190-192
лобовое (динамическое) давле-
ние 251-252
остывание 228, 229
Межзвездные линии поглощения
см. Поглощения линии (аб-
сорбционные)
Мезоны и взаимодействия 114
Мессье каталог туманностей 177
Мессье Шарль 30
Местная группа галактик 166
Местное сверхскопление 59
Метагалактика 58
Металлами бедные звезды 236
цвета 254
Метеоритные осколки 275
Метеориты 278, 279
классификация 73
Метеорный поток (дождь) 282, 284
Метеоры 281
Мизнер Чарльз 119
Микроволновое фоновое излуче-
ние 15, 67, 67, 82-87. См. так-
же Фоновое излучение
Млечный Путь
и Большое и Малое Магелла-
новы облака 183
масса-светимость отношение
192, 193
межзвездная пыль 79
распределение звезд по массе
233
385
сверхновые 233
Молекулярного водорода области
45
Морфология галактик 174,
242-256
М3, шаровое звездное скопление
178
Наблюдаемая Вселенная 109
Нарликар Джайант 322
Начальная функция масс звезд 238
Нейтрино 126
в ранней Вселенной 151
обнаружение 134, 135
плотность энергии 138
Нейтронные звезды 261-265
Нейтроны 126, 127
Неправильные галактики 46
Новая физика 328, 329
Новые и межгалактический газ
190
Ночного неба яркость 62-64
Ньютон Исаак 29, 30, 147
Ньютоновская космология 95-97
Обогащение галактики тяжелыми
элементами 226
Образование
звезд 223-241
Земли 293-296
карликовых галактик 200-202
квазаров 216
протозвездного ядра 230
скоплений галактик 196-198,
349, 350
SO галактик
Солнечной системы 276-296
Обратные движения планет 21, 22,
292
Обратных квадратов закон 42
Однородность Вселенной 60-62
Ольберс Генрих 62
Ольберса парадокс 62, 64
Остывание
вещества 144-146
газов 228, 229
386
Отделение излучения от вещества
151, 155, 341, 342
Открытая вселенная см. Вселенная
Отталкивания сила 32
Параллакс 38, 330
ближайшей звезды 39
метод 38^40
статистический 40
Пар рождение 137, 138
Парсек 40, 330
Пензиас Арно 83, 84
Пенроуз Роджер 325
Первая миллисекунда Вселенной
109-125
Первичная турбулентность 161
Первичные кварки 118, 119
Первичный огненный шар 16,
133-146
Первичный хаос 119, 140-142,
150-152, 325, 326
Переменная гравитация 321, 322
Переменной массы теория 323
«Перемешанного мира» модель
119-121
Период-светимость зависимость
43, 44
Персей скопление галактик 188
Пифагор 25
Пифагора учение 19, 20
Планетарная туманность
и межгалактический газ 190
как фаза эволюции 265
Планетезимали 290
Планеты, сравнительные размеры
278, 279
Планка закон излучения 136
Планк Макс 136
Планковский момент 112
Платон 20, 21, 25
Плоское пространство 93
Плотность Вселенной
в момент начала расширения
111, 112
термоядерный синтез, зависи-
мость от 130
тесты 356
Плутона орбита 292, 293
Поглощения линии (абсорбцион-
ные) 52, 56, 57
и дейтерий 131
квазаров 214, 216
Подсчет числа источников, тест
306, 307, 358, 359
Позитроны 115
Покраснение фонового излучения
141, 142
Полураспада период 72
Поляризация синхротронного из-
лучения 204, 205
Поток радиоизлучения 82
Приливная теория 285, 286
Приливные силы 175
и вращение галактик 244, 245
Проект «Циклоп» 297
Пространства кривизна 302
Пространство-время 94, 95
диаграмма 110, 111
и рост флуктуаций плотности
149
Протогалактики 166
Протогалактическое газовое обла-
ко
сжатие 159-162
фрагментация 162-165
Протозвездное ядро, образование
230
Протозвездные фрагменты, столк-
новения 237
Протосолнечная туманность 286
Протопланетный диск 291
Птолемей 23-25
Пульсары 262-265
и Бранса-Дикке теория 327
Пыль 224
и образование звезд 233
и планетезимали 290
и старение света теория
Радиан 37
Радиационная эра 133-146, 154,
337-339
Радиационное затухание адиаба-
тических флуктуаций плотно-
сти 154-156
Радиоактивное датирование 72
Радиоволны
от пульсаров 262-265
от радиогалактик 203-219
синхротронное излучение 204
Радиогалактики 79-82
Радиоинтерферометрия 209, 210
Радиоинтерферометрия со сверх-
длинными базами 209, 210
«Радиоуши» 208, 209
Разбегание галактик 53-60
Размеры галактик 347, 348
Райт Томас 30
Рассеяние 139, 140
Расстояний шкала 31, 32
внегалактическая шкала 40-45,
49
до наиболее далеких объектов
46-53
Расширяющаяся изотропная все-
ленная 99
Рекомбинация 142-144. См. так-
же Отделение излучения от
вещества
Релаксация 166
Релятивистская космология 96,
104, 105
Релятивистская теория 104
Релятивистские частицы 145
Рентгеновское излучение
от квазаров 217
от межгалактического газа 187
от центра галактики 189
от черных дыр 267
от шаровых звездных скоплений
228
Робертсон Ховард Перси 36
Рубин Вера 59
Салпитер Эдвин 237
Салпитера функция 237, 238
Самые далекие объекты 46-52
Сатурна кольца 281, 289
Сверхгалактическая плоскость 68
Сверхмассивные барионы 150
Сверхновые 267, 268
взрывы 223-225
387
возраст 227
и межгалактический газ 190
и Солнечная система 273, 275,
276
остатки взрывов 271-273
Сверхскопления галактик 61
Светимости функция 46, 47, 163,
170, 171
Световой год 40
Сейфертовские галактики 214, 221
Сжимающаяся вселенная 322, 323
Сильные взаимодействия 126
Сингулярность 31, 323-325
Синтеза ядерная реакция 259
Синхротронное излучение 204
Система отсчета 59
Скопления галактик 185-202
Девы см. Девы скопление
иерархическое образование
структур 167
карта 187
Кома 48
образование 165-170, 349, 350
светимости функция 170, 171
скорости 185
хвостатая радиогалактика в 208
Скорость света 53
Слабые взаимодействия 126
Слифер Весто Мелвин 58
Собственное движение 40
Солнечная система
и сверхновая 273, 275
образование 276-297
Солнечный ветер 252
Солнце, масса-светимость отно-
шение 192, 193
Сопутствующая сфера 99, 100
Составных частиц теория 114
Сохранения энергии закон 100
Спектральные линии 50, 53, 205,
208
Спектроскопия 49-51
Спектр света 50
Спектры галактик 57
Спиральные волны плотности 243,
245, 246
Спиральные галактики 46, 172-180
вращение 242, 243
образование 198, 199
рукава 243, 245
цвет 253-255
Сплюснутые эллиптические галак-
тики 179, 180
Стандартные свечи
галактики как 303
квазары как 308
Старения света космологическая
модель 316, 317
Статистический параллакс 40
Статическая вселенная 32
Стационарной вселенной теория
13-15, 78, 318, 319
Столкновения
между галактиками 190-192
между звездами 219
протозвездных фрагментов 236
Структура Вселенной 147
Сферическое пространство 92, 93
Сфероидальные галактики 175
Схождения точка 40, 41
Сэндидж Алан 78
Телескопы 46, 296
космический телескоп 313
Темные глобулы Бока 240, 241
Температура
Вселенной в начале расширения
114-116	..
излучательная 138, 139
межгалактического газа 187
фонового излучения 135-137
Тепловое (равновесное) излучение
67, 85-87, 332
покраснение 141, 142
свойства 135-137
Тепловое равновесие 136
Термоядерный синтез 127, 128,
339-341
взрывной 267, 268
зависимость от средней плотно-
сти Вселенной 130
Толмен Ричард Чэйз 323
Тритий 127
Т Тельца звезды 240, 241
Туманности, открытие 30
388
Туманности теория 286, 287
Турбулентности теории 161, 282,
283, 285
Тяжелые элементы
в шаровых звездных скоплениях
251
в эллиптических галактиках 251
железо см. Железо
происхождение 257-275
распространенность 268-273
Углистые хондриты 278
Углового момента закон сохране-
ния 244, 245
Угловые диаметры 357
Уран (планета)
и аккумуляции теория 291, 292
кольца 281
открытие 30
Уран (элемент) 72
Фаулер В. А. 257
Физика рождения 114-116
Флуктуации плотности 148-150,
152
адиабатические 156, 157, 160
в эпоху отделения излучения от
вещества 327
выделенные масштабы масс 157,
158
затухание 154-156
гравитация против градиентов
давления в 153
изотермические 156, 157
и излучение 342-344
образование структур 167, 169
сжатие 346, 347
типы 156, 157
Фоновое излучение 62
и антивещество 123-125
и затухание первичного хаоса
152
и отделение от вещества 142-144
и плотность вещества 137, 138
и флуктуации плотности
' 342-346
микроволны 15, 68, 82-87
однородность 143, 148
Ольберса парадокс 62-64
плотность энергии 136
ранней Вселенной 135-137
температура 65, 138, 139
Форд Кент 59
Фотоны 115
Фотосфера 52
Фраунгофер Йозеф 51
Фрагментация см. Газовая фраг-
ментация
Фридман А. А. 33, 34
Ф ридмана -Леметра	вселенные
103, 106, 335-337
Фридмана уравнение 101, 332, 333
и сингулярность 323
Хаббл Эдвин 30, 42, 45, 58, 60, 174
Хаббла закон 58
Хаббла параметр 98
Хаббла постоянная 58, 70, 71, 78
Хаббловское расширение галактик
309, 310
Хагедорн Рольф 114
Хаос в противопоставлении по-
рядку 119-121, 140, 141,
150-152, 302, 307, 325, 326
Хвостатая радиогалактика 208-210
Хойл Фред 14, 257, 318, 322
Холодная вселенная 326, 327
Хондры 274, 275
Хоукинг Стивен 121, 325
Цвета
галактик 253-255
излучения 136
Цвет-звездная величина диаграм-
ма 44
Цвикки Фриц 185
Цефеиды, переменные звезды 42
кривая блеска 43
связь период-светимость 42
Частицы ИЗ, 137, 138
389
виртуальные пары 116
релятивистские 145
сверхмассивные барионы 150
теории 114
Частицы межзвездной пыли 79
Чезо Джин Филипп 62
Черные дыры 15, 265-267
и квазары 216, 219-222
и скрытая масса 195
и энтропия 325
Лебедь Х-1 266, 267
мини-дыры 119-122
образование.122
определение 150
Шаровые звездные скопления 200,
201
в эллиптических галактиках
249-253
М3 77
орбиты 250
рентгеновское излучение 221,
222
Шейна-Виртанена каталог 166
Шепли Харлоу 44, 276
Шварцшильдовский радиус 219
Шума спектр 169, 176
Эддингтон Артур 107
Эддингтона-Леметра вселенная
107
Эйнштейн Альберт 32-35, 322
Эйнштейна-де Ситтера вселен-
ная 102, 103, 106, 333-335
Электрон-вольт 112, 113
Электронов рассеяние 140
Элементарные частицы см. Ча-
стицы
Эллиптические галактики 46, 172,
180, 198
вращение 242, 243
и шаровые скопления 249-253
тяжелые элементы в 250, 251
цвета 249-253
Эмиссионные линии 56
Эмиссия излучения 52
Энергия
плотность энергии излучения
136, 137
сохранения закон 100
фотонов 139
Энтропия 152
Эпициклов теория 24
Эпоха отделения излучения от ве-
щества 142-144, 153
и флуктуации плотности 327
Эпоха термоядерного синтеза 128
и дейтерий 308, 309
Ядерная эволюция звезд 258, 259
Ядра, энергия связи 270
Ядро галактики 210, 211
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА	...	5
ВСТУПЛЕНИЕ..................... 7
ПРЕДИСЛОВИЕ.................... 8
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ	ИЗДАНИЮ	10
1.	ВВЕДЕНИЕ В КОСМОЛОГИЮ...... 11
2.	У ИСТОКОВ СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛО-
ГИИ ............................ 18
3.	НАБЛЮДАТЕЛЬНАЯ КОСМОЛОГИЯ	.	.	37
4.	СВИДЕТЕЛЬСТВА В ПОЛЬЗУ БОЛЬШОГО
ВЗРЫВА...................... 69
5.	КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ	....	89
6.	ПЕРВАЯ МИЛЛИСЕКУНДА........109
7.	ТЕРМОЯДЕРНАЯ ДЕТОНАЦИЯ ВСЕЛЕН-
НОЙ ............................126
8.	ПОЯВЛЕНИЕ ПЕРВИЧНОГО ОГНЕННОГО
ШАРА............................133
9.	ПРОИСХОЖДЕНИЕ ГАЛАКТИК ....	147
10.	ЭВОЛЮЦИЯ ГАЛАКТИК.............159
11.	ГИГАНТСКИЕ СКОПЛЕНИЯ ГАЛАКТИК 185
12.	РАДИОГАЛАКТИКИ И КВАЗАРЫ ....	203
13.	ОБРАЗОВАНИЕ ЗВЕЗД.............223
14.	МОРФОЛОГИЯ ГАЛАКТИК...........242
15.	ПРОИСХОЖДЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕН-
ТОВ ............................257
16.	ОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ 276
17.	В БЕСКОНЕЧНОЕ БУДУЩЕЕ.........298
18.	АЛЬТЕРНАТИВЫ ТЕОРИИ БОЛЬШОГО
ВЗРЫВА..........................315
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ ....	330
ЛИТЕРАТУРА........................360
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ..................362
ПРЕДМЕТНО-ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ ....	381
391
Дж. Силк
БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ
Рождение и эволюция Вселенной
Научный редактор А. Н. Кондрашова
Мл. научный редактор Л. И. Леонова
Художник В. С. Стуликов
Художественный редактор Л. Е. Безрученков
Технические редакторы: А. П. Чуркина, Г. Б. Алюлина
Корректор М. А. Смирнов
ИБ № 2935
Сдано в набор 9.12.81.
Подписано к печати 22.07.82.
Формат 60 х ЭО1/^.
Бумага офсетная № 1.
Гарнитура Таймс. Печать офсетная.
Объем 12,25 бум. л. Усл. печ. л. 24,5. Усл. кр. отт. 44,5.
Уч.-изд. л. 26,63. Изд. № 12/1765.
Тираж 50 000 экз. Зак. 896. Цена 1 р. 40 к.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
Москва, 1-й Рижский пер, 2.
Можайский полиграфкомбннат Союзполиграфпрома при Го-
сударственном комитете СССР по делам издательств, поли-
графии и книжной торговли.
г. Можайск, ул. Мира, 93.