Лев Гиндилис – SETI: Поиск Внеземного Разума (страница 51)

Необходимо отметить, что расширение Вселенной никак не влияет на отдельные тела: расстояние между галактиками увеличивается, но размеры самих галактик (а тем более звезд и планет) остаются без изменения — подобно тому, как не меняются размеры пчел в разлетающемся рое или размеры молекул в расширяющемся облаке газа. То есть гравитационно связанные тела в расширяющейся Вселенной не подвержены космологическому расширению.

Каждая галактика участвует в общем космологическом расширении и имеет, кроме того, свое собственное движение. Полная относительная скорость двух галактик складывается из скорости их космологического удаления и относительной скорости собственного движения галактик. Для далеких галактик космологическая скорость намного превышает собственную скорость галактик (которой в этом случае можно пренебречь), поэтому из наблюдений далеких галактик мы получаем скорость их космологического расширения. Для близких галактик их собственная скорость сравнима со скоростью космологического расширения и может даже превышать ее. Поэтому полная скорость может сильно отличаться от космологической и может быть даже отрицательной. Так, например, Туманность Андромеды имеет отрицательную скорость, т. е. она не удаляется от нашей Галактики, а приближается к ней.

Поскольку в настоящее время Вселенная расширяется, расстояние между галактиками увеличивается, то ясно, что в прошлом они были расположены ближе друг к другу и размер наблюдаемой Вселенной (Метагалактики) был меньше. Следовательно, средняя плотность вещества была выше, т. е. условия во Вселенной в прошлом отличались от тех, которые имеют место в настоящее время. Но насколько велико это различие? Закон Хаббла сам по себе не дает ответа на этот вопрос. Здесь необходима помощь теории. Мы должны обратиться к космологическим моделям и выбрать ту из них, которая лучше соответствует наблюдениям.

Простейшей и, как казалось, наилучшим образом соответствующей наблюдениям является модель Фридмана однородной изотропной Вселенной с Λ-членом, равным нулю. В этой модели действуют только силы гравитации[129]. Если в некоторый момент остановить расширение Вселенной, то в следующий момент под действием гравитации она начнет сжиматься. Поскольку в настоящее время Вселенная расширяется, значит, когда-то в прошлом, в какой-то начальный момент времени, по причине, о которой мы пока ничего не знаем, частицы вещества приобрели скорость разлета, подобно облаку газа, образовавшемуся при взрыве. В дальнейшем Вселенная расширялась по инерции, а силы тяготения тормозили расширение. Динамика Вселенной зависит от соотношения между начальной скоростью и силами тяготения, которые определяются средней плотностью вещества во Вселенной. Если плотность не превышает некоторого критического значения (ρ ≤ ρ_кр), то силы тяготения не в состоянии остановить расширение, и Вселенная будет расширяться неограниченно. Если ρ > ρ_кр то силы тяготения останавливают расширение; в некоторый момент постоянно уменьшающаяся скорость расширения обращается в нуль, после чего Вселенная начинает сжиматься.

Рис. 2.2.3. Изменение масштабного фактора в модели Фридмана с Λ-членом, равным нулю. По горизонтальной осин отложено время, по вертикальной масштабный фактор a(t): l — ρ < ρ_кр ; 2 — ρ = ρ_кр ; 3 — ρ > ρ_кр . Угол наклона касательном к кривым в любой точке этого графика определяет скорость расширения Вселенной в соответствующий момент времени. t₀ — современный момент времени. Отрезок Λt₀ определяет хаббловское время 1/Н₀ для открытой модели (при ρ < ρ_кр)

На рис. 2.2.3 показано, как изменяется с течением времени масштабный фактор a(t) в рассматриваемой модели. Поскольку расстояние между любыми точками в расширяющейся Вселенной пропорционально масштабному фактору (r(t) = r₀а (t)), то аналогичным образом будет меняться расстояние между двумя любыми далекими галактиками, радиус Метагалактики и, вообще, радиус любой достаточно большой сферы, выделенной во Вселенной.

Такой характер изменения масштабного фактора можно попять, исходя из следующих соображений. Выделим мысленно в однородной Вселенной некую сферу произвольного, но достаточно большого радиуса, так, чтобы в пей содержалось большое число галактик. Рассмотрим «частицу» вещества (галактику), находящуюся на границе сферы[130]. Опа обладает определенной скоростью, с которой удаляется от центра сферы, и соответствующей кинетической энергией. Как будет двигаться такая галактика по отношению к центру сферы? В однородной Вселенной на галактику действует только тяготение вещества, расположенного внутри сферы; тяготение наружных слоев взаимно уравновешивается. Следовательно, задача аналогична задаче о движении тела, например ракеты, находящейся на поверхности планеты, которой сообщили вертикальную скорость. Полная энергия E выбранной нами галактики складывается из кинетической и потенциальной, последняя определяется силами тяготения. В процессе расширения Вселенной кинетическая и потенциальная энергии изменяются, а полная энергия Е остается без изменения (закон сохранения энергии). Напомним, что потенциальная энергия отрицательна, а кинетическая энергия — положительна. Полная энергия зависит от плотности. При ρ < ρ_кр полная энергия E > 0; это соответствует случаю, когда ракета приобретает скорость, превышающую вторую космическую. Как известно, в этом случае она будет двигаться по гиперболической орбите, неограниченно удаляясь от планеты, причем скорость на бесконечности будет стремиться к предельному значению V_пред > 0. Так же будет вести себя и рассматриваемая нами «пробная» галактика. А поскольку мы выбрали эту галактику совершенно произвольно на поверхности выделенной сферы — так будет вести себя любая другая галактика, значит, вся сфера будет неограниченно расширяться. И так как сфера, в свою очередь, выбрана произвольно, то это относится к любой выделенной сфере во Вселенной, т. е. вся Вселенная будет неограниченно расширяться. При ρ = ρ_кр Е = 0; это соответствует случаю, когда ракета приобретает параболическую скорость. Вселенная будет также неограниченно расширяться, только скорость на бесконечности будет стремиться к нулю. Наконец, при ρ > ρ_кр полная энергия Е < 0; это соответствует случаю, когда ракета приобретает скорость меньше параболической. В этом случае она удаляется от планеты на определенное расстояние, а затем падает на нее. Подобно этому наша сфера (и любая другая сфера во Вселенной) расширяется до определенного предела, а затем начнет сжиматься. Эта аналогия позволяет понять, почему космологические уравнения без введения дополнительных сил отталкивания не дают статического решения. Ведь и ракета не может неподвижно висеть над Землей, она или улетает от нее, или падает на поверхность. Чтобы удержать ракету неподвижно, нужны дополнительные силы.

Критическая плотность, от которой зависит характер расширения Вселенной, определяет также геометрию Мира. При ρ > ρ_кр мы имеем, как и в модели Эйнштейна, замкнутый мир постоянной положительной кривизны, в котором выполняется геометрия Римана. При ρ = ρ_кр Вселенная пространственно бесконечна, кривизна пространства равна нулю, следовательно, в этом случае справедлива евклидова геометрия. Наконец, при ρ < ρ_кр Вселенная тоже открыта: она бесконечно простирается во все стороны, кривизна ее постоянна и отрицательна; это мир, в котором выполняется геометрия Лобачевского. Таким образом, открытая Вселенная расширяется неограниченно, а в замкнутой Вселенной расширение сменяется сжатием; в момент остановки, когда скорость расширения становится равной нулю, радиус кривизны (и объем) Вселенной достигает максимального значения, а затем начинает уменьшаться.

Какой же сценарий имеет место в действительности? Это зависит от отношения ρ/ρ_кр . В современную эпоху ρ > ρ_кр≈ 10^-29 г/см³. Средняя плотность светящегося (наблюдаемого) вещества, как мы видели, составляет 3 • 10^-31 г/см³. Эта величина приблизительно в 30 раз меньше критической. Если бы во Вселенной никакого другого вещества не было, мы бы имели вариант открытого бесконечно расширяющегося мира, для которого на больших масштабах справедлива геометрия Лобачевского.

Однако помимо этой наблюдаемой материи во Вселенной существует материя, которая непосредственно не наблюдается, а проявляет себя только гравитационным воздействием. Часть ее может быть обусловлена обычным веществом, сосредоточенном в «коричневых» карликах (о которых мы упоминали в п. 2.1.3), но доля его невелика. Считается, что обычное вещество, как наблюдаемое, так и ненаблюдаемое, составляет не более 5 % массы Вселенной (или даже еще меньше), остальные 95 % приходится на долю так называемой темной материи или скрытой массы.

Значение этого обстоятельства не всегда оценивается в должной мере. Вдумаемся — все, что мы знаем о Вселенной, основано на изучении не более 5 % ее массы! А остальное для нас пока полностью сокрыто. Чтобы яснее осознать, что это значит, представим себе, что мы занимаемся реставрацией большого полотна, полностью закрытого позднейшими наслоениями. И вот нам удалось отреставрировать 5 % картины. Уже проступают ясно какие-то черты пейзажа. Мы видим деревья на скалистом берегу моря, видим облака на небе, еще какие-то детали. Но мы не можем пока сказать, что представляет собою картина в целом: пейзаж, портрет с пейзажем на заднем или переднем плане, батальная эпопея или бытовая сцена. Примерно в таком же положении оказались астрономы. Дело не в том, что нам известны не все звезды или не все галактики. Для того чтобы понять строение и эволюцию Вселенной, в этом нет никакой необходимости. Дело в том, что 95% материи — это не галактики и не звезды, это не межзвездная пыль и не газ, это не плазма, состоящая из обычных частиц, из которых строятся атомы вещества. Это нечто, нам пока неизвестное и неизученное. Сказанное не означает, что наши знания о Вселенной не достоверны — нет, то, что установила наука, достаточно надежно. Но это значит, что наша картина Вселенной на сегодня еще весьма ограничена.