Реферат: Начало и конец Вселенной

Ранняя Вселенная.

Мы живем в расширяющейся Вселенной, которая, согласно теории Большого взрыва, возникла примерно 18 миллиардов лет назад в результате взрыва не­вообразимой силы. В первые мгновения после взрыва не было ни звезд, ни пла­нет, ни галактик – ничего кроме частиц, излучения и черных дыр. Короче говоря, Вселенная находилась в состоянии полнейшего хаоса со столь высокой энер­гией, что частицы, обладавшие гигантскими скоростями, сталкивались практи­чески непрерывно. Это был, по сути, колоссальный ускоритель частиц, намного мощнее тех, которые построены в наши дни.

Теперь ученые строят все более и более мощные установки, чтобы разоб­раться, как взаимодействуют высокоэнергичные частицы. Но крупные уско­рители очень доро­гостоящи, а на их строительство уходят годы. Поэтому не­которые особенно нетер­пеливые ученые обратились к ранней Вселенной. Ее в шутку называют “ускорителем для бедных”, хотя это и не самое удачное название. Если бы нам пришлось строить ускоритель на такие характерные для ранней Военной энергии, он протянулся бы до ближайших звезд.

Раз уж строительство такой установки нам не по плечу, то, взяв за образец раннюю Вселенную или, по крайней мере, ее модель, можно попытаться понять, что происходит при столь больших энергиях.

Но чем вызван интерес к явлениям, происходящим при таких энергиях? Прежде всего, тем, что они помогают понять природу фундаментальных частиц, а также фу­ндамен­тальных взаимодействий. Установление связи между ними существенно для уяснения взаимозависимости космических явлений, а согласно современным теориям понимание связи между фундаментальными взаимодействиями может пролить свет на процессы в ранней Вселенной. Возникает, например, вопрос: почему фундаментальных взаимо­действий четыре, а не одно, что казалось бы более естественным? Такой же вопрос можно задать и о фундаментальных частицах.

Конечно, одна фундаментальная сила и одна фундаментальная частица значительно упростили бы описание Вселенной. Как мы увидим, возможно, она именно так и устроена. Согласно появившимся недавно теориям, при энергиях, характерных для ранней Вселенной, все четыре фундаментальных взаимодействия были слиты воедино. По мере расширения и остывания Вселенной, видимо, происходило разделение сил; как при понижении температуры замерзает вода, так, возможно, из единой силы могло “вымерзти” тяготение, оставив остальные три. Вскоре “вымерзло” слабое взаимо­действие, и, наконец, разделились сильное и электромагнитное. Если такая идея верна и при высоких энергиях действительно происходит объединение, исследование ранней Вселенной представляет исключительный интерес.

К середине 60-х годов большинство астрономов приняло концепцию происхождения Вселенной в результате Большого взрыва, предполагавшую, что в начале своего су­ществования Вселенная имела бесконечно малые размеры. Многим трудно согласиться с мыслью о том, что вся масса Вселенной когда-то содержалась в ядре, меньше чем атом. Однако есть нечто еще труднее воспринимаемое в этой идее первичного ядра. Нам кажется, что оно существовало в некотором бесконечном пространстве, где и взорвалось, однако астрономы утверждают, что это не так. Вокруг этого ядра не было пространства: ядро и было Вселенной. Взорвавшись, оно создало пространство, врем и материю. Позднее мы внимательнее рассмотрим этот взрыв и увидим, как из него развилась Вселенная, но прежде вернемся назад во времени к этому взрыву.

Назад к Большому взрыву.

Чтобы вернуться к самому началу, нужно знать возраст Вселенной. А это очень сложный и спорный вопрос. Долгие годы считалось, что возраст Вселен­ной составляет примерно 18 миллиардов лет. Эта циф­ра приводилась в большинстве учебников, статей и популярных книг по космологии и принималась большинством ученых, так как основы­валась на рабо­те Хаббла, которую долгие годы развивали Аллен Сэндейдж из Хейльской обсерватории и Густав Там-ман из Базеля.

Не все, однако, были согласны с таким результатом. Жерар де Вокулер из Техасского университета I работал над этой проблемой, используя сходную методику, и постоянно получал результат около 10 миллиардов лет. Сидни ван ден Берг из канадской обсерватории в Виктории также получил близкое значение. Но почему-то эти результаты остались без внимания. В 1979 году еще трое астрономов объявили о том, что с помощью других методов получили результаты, близкие по значению к полученным Вокулером.

Ученые, наконец, обратили внимание на эти результаты, и кое-кто задумался, — не надо ли по-новому взглянуть на проблему возраста Вселенной. Боль­шинство продолжало придерживаться прежнего ре­зультата — 18 миллиардов лет, но по мере того, как поя­влялись новые данные, свидетельствовавшие в поль­зу 10 миллиардов лет, начинал раз­гораться спор. Да­вайте немного задержимся на этом и разберемся в сути этого спора. Мы уже ви­де­­­­­­­­­­ли, что Хаббл, соотнеся расстояние до галактик с их красным смещением, предсказал рас­ширение Вселенной. На его диаграмме особо важным представляется угол наклона прямой, проходящей че­рез точки; значение H называется постоянной Хаббла. Важность этой по­стоянной определяется ее связью с возрастом Вселенной. Она дает нам представление о скорости расширения, и если мы повернем расшире­ние или, что-то же самое, время вспять (пре­дположив, что оно течет в обратную сторону), то Вселенная со­жмется. Тогда возраст Вселенной будет определяться тем временем, которое потребуется всему веществу, чтобы сжаться до размеров точки. Если бы Вселенная расширялась равномерно, то ее возраст был бы обрат­ным величине H (1/H). Однако существует явное сви­детельство в пользу того, что это не соответствует действительности: похоже, что расширение замедля­ется. Значит, чтобы уз­нать реальный возраст Вселен­ной, нам следует помнить об этом и соответственно знать, как быстро расширение замедляется.

С помощью своей лестницы, которая помогла ему вычислить расстояние до далёких звезд, Хаббл получил в 1929 году значение Н, которое соответствовало пора­зительно малому возрасту — 2 миллиарда лет. Пора­зительным его можно считать потому, что результаты геологических исследований дают гораздо большее значение, и эти данные весьма надежны. Замеша­тельство длилось недолго: Вальтер Бааде из обсерва­тории Маунт-Вилсон вскоре нашел ошибку в методи­ке, с помощью которой Хаббл определял расстояние. Он пользовался зависимостью период — светимость для цефеид (чем больше период цефеид, тем больше абсолютная светимость) для определения расстояния до ближайших галактик, но звезды переменной свети­мости в этих галактиках не были обычными цефе­идами и, следовательно, указанной зависимости не подчинялись. С поправками возраст Вселенной удва­ивался. Через несколько лет Сэндейдж заметил, что Хаббл принял скопления звезд за отдельные звезды в более отдаленных галактиках. С этими исправлени­ями возраст еще раз удвоился.

Так возраст Вселенной был определен в 10 милли­ардов лет. Однако Сэндейджа и Таммана это не удов­летворило. Они тщательно проанализировали работу Хаббла, расширив ее рамки. В их распоряжении были новейшая техника и методика калибровки, не говоря уже о 200-дюймовом телескопе-рефлекторе Паломар-ской обсерватории. В результате их исследований воз­раст Вселенной еще раз удвоился и составил около 18 миллиардов лет, так что некоторое время никто не смел и подумать о новых вычислениях.

Пока Сэндейдж и Тамман проверяли и корректи­ровали работы Хаббла, в Техасском университете усердно трудился де Вокулер. Подобно Сэндейджу, он пользовался космической лестницей, идя по сту­пенькам вглубь ко все более слабым галактикам. Од­нако что-то его беспокоило. Через несколько лет он внимательно изучил окружающую нас группу галак­тик, называемую местным скоплением, и обнаружил, что она является частью гораздо большей группы — скопления скоплений. Доминирующим в группе было гигантское скопление, называемое Девой (располо­женное в направлении созвездия Девы). Де Вокулер пришел к выводу, что это колоссальное скопление воздействует на нашу галактику, поэтому он и полу­чил гораздо меньшее число, чем Сэндейдж и Тамман, которые не учли этого обстоятельства.

Однако никто не обращал на идеи де Вокулера ни малейшего внимания. Наверное, легче было считать, что мы живем в обычной области Вселенной, а де Во­кулер уверял, что это аномальная область. Для разре­шения противоречия требовался какой-то совершен­но новый метод. Такой метод (который, однако, не позволил найти окончательное решение) появился в 1979 году — Марк Ааронсон из обсерватории Стю­арда, Джон Хачра из Гарварда и Джереми Моулд из национальной обсерватории Китт-Пик объявили о том, что полученное ими значение Н лежит между значе­ниями, предложенными де Вокулером и Сэндейджем. Однако большинство их измерений, как и измерения Сэндейджа, проводились в направлении скопления Девы. Де Вокулер предложил провести их в каком-либо другом участке неба, подальше от Девы. И ко­нечно же, полученное значение оказалось очень близ­ким к результату де Вокулера.

Ааронсон с сотрудниками использовали метод, раз­работанный намного раньше Брентом Талли из Гавайского университета и Ричардом Фишером из Нацио­нальной обсерватории. Талли и Фишер определяли массу галактик, проводя наблюдения на длине волны 21 см. Линия спектра, соответствующая этой длине волны при вращении галактик расширяется, т. е. чем больше скорость вращения галактики, тем шире соот­ветствующая линия. Поскольку известно, что наибо­лее массивные, самые крупные галактики вращаются быстрее других, Талли и Фише­ру оставалось лишь из­мерить ширину линии и тем самым определить «вес» галактики, а из это­го, в свою очередь, ее истинную яр­кость, или светимость. Узнав светимость и определив из на­блюдений видимую яркость, легко найти рассто­яние до галактики.

Несмотря на простоту, метод вызывает на практи­ке ряд трудностей. Прежде всего, отнюдь не все галак­тики повернуты к нам «лицом»; обычно они видны под каким-то углом, а значит, большая часть их света поглощается пылью. Для учета этого обстоятельства приходится вводить соответствующие поправки, что и сделали Талли с Фишером. Тем не менее их резуль-: таты подверглись суровой критике.

Заинтересовавшись этим методом, Ааронсон с со­трудниками решили измерять не видимый свет га­лактик, а их инфракрасное излучение, тем самым избежав необходимости введения поправок. Инфра­красное излучение не задерживается пылью, а потому и нет необходимости делать поправку на поворот га­лактик. В итоге ученые получили значение Я, согла­сующееся с результатом измерения де Вокулера.

Ааронсон и его коллеги вскоре убедились, что мы в самом деле живем в аномальной области Вселенной. Мы находимся на расстоянии примерно 60 миллионов световых лет от суперскопления в Деве и стре­мимся к нему под действием притяжения с весьма большой скоростью. Значит, для того чтобы получить верное значение постоянной Хаббла, нужно из скоро­сти разбегания галактик (с которой они удаляются от нас) вычесть эту скорость.

Правда, Сэндейдж и Тамман не убеждены, что мы живем в аномальной области. Их измерения, как утверждают авторы, не дают оснований считать, что мы движемся к скоплению в Деве, а следовательно, не нужно вводить соответствующую поправку. Инте­ресно, что наша собственная скорость, измеренная Ааронсоном, не совпадает со значением, полученным де Вокулером. По мнению Ааронсона, мы движемся к скоплению в Деве не по прямой, а по спирали; такой вывод основывается на весьма сложной модели вра­щающегося суперскопления.

Итак, возникает проблема — действительно ли мы живем в аномальной области, как свидетельствуют последние результаты, или же правы Сэндейдж и Тамман? Казалось бы, решить ее довольно легко, ведь в предыдущей главе рассказывалось о реликтовом из­лучении, заполняющем всю Вселенную, причем в раз­ных направлениях его температура различна. По дан­ным таких измерений, мы движемся к созвездию Льва со скоростью примерно 600 км/с, но Лев отстоит от центра скопления в Деве примерно на 43°! Итак, одни измерения свидетельствуют, что мы движемся в на­правлении Льва, а другие — что к Деве. Какие из них верны? Пока неизвестно.

Похоже, что мы зашли в тупик, и в вопросе о воз­расте Вселенной — 10 ей миллиардов лет или 20? К счастью, есть еще два метода определения возраста Вселенной. Правда, и тот и другой позволяют найти лишь возраст нашей Галактики, но поскольку доволь­но хорошо из­вестно, насколько Вселенная старше Га­лактики, эти методы весьма надежны. В первом из них используются гигантские скопления звезд, так называемые глобулярные скопления; они окружают нашу Галактику подобно тому, как пчелы окружают улей. Если построить зависимость абсолютной, или истинной, яркости от температуры поверхности звезд, входящих в такие скопления, откроется весьма инте­ресный результат. (Такой график называется диа­граммой Герцшпрунга — Рессела, по именам впервые построивших его ученых.)

Прежде чем рассказать о полученном результате, рассмотрим типичную диаграмму Герцшпрунга — Рес­села. Если скопление относительно молодое, боль­шинство точек лежит на диагонали, называемой глав­ной последовательностью; кроме того, есть несколько точек в верхнем правом углу и совсем мало — в ниж­нем левом. На главной последовательности представ­лены все звезды — от небольших красных карликов до голубых гигантов. Одной из особенностей этой диаграммы является то, что звезда, по мере старе­ния, сходит с главной последовательности. Самые верхние точки, соответствующие голубым гигантам, сходят первыми, а по ходу старения скопления с главной последовательности сходит все больше и больше звезд, причем всегда, начиная сверху диаграм­мы. Это означает, что чем старше скопление, тем ко­роче его главная последовательность. Особое значе­ние имеет то, что точка, выше которой нет звезд (она называется точкой поворота), позволяет оценить воз­раст скопления.

Диаграмма Герцшпрунга — Рессела для молодого скопления (сле­ва) и та же диаграмма для старого скопления (справа); показана точка поворота

При рассмотрении диаграммы Герцшпрунга — Рессела для глобулярных скоплений становится вид­но, что у них точка поворота находится почти вни­зу главной последовательности. Это означает, что они очень стары; их возраст — от 8 до 18 миллиардов лет, т. е. Вселенной должно быть больше 10 милли­ардов лет.

Второй метод заключается в наблюдении скоро­стей распада различных радиоактивных веществ. Ме­рой скорости этого процесса служит так называемый период полураспада — время, в течение которого рас­падается половина ядер данндго вещества. Измеряя периоды полураспада атомов радиоактивных элемен­тов в Солнечной системе, можно определить ее воз­раст, а на его основе — возраст нашей Галактики. И вновь результаты указывают на то, что Галактике больше 10 миллиардов лет.

Сотрудник Чикагского университета Дэвид Шрамм и некоторые другие ученые применили ряд мето­дов определения возраста Галактики, а затем обра­ботали результаты для получения наиболее вероятного значения. Таким образом они получили оценку 15-16 миллиардов лет. Но и это убедило отнюдь не всех. Гарри Шипмен из университета Делавэра недав­но провел исследование эволюции белых карликов и определил их число в нашей Галактике; теперь он утверждает, что Млечному Пути не более 11 миллиар­дов лет. С его выводами согласны Кен Джейнс из Бос­тонского университета и Пьер де Марк из Йеля. Они внимательно изучили методику определения возраста глобулярных скоплений на основе графиков зависи­мости светимость — температура и пришли к выводу, что учет погрешностей в наблюдениях звезд, а также некоторых теоретических допущений позволяет сни­зить оценку их возраста до 12 миллиардов лет.

Вот так обстоит дело. Пока с уверенностью можно утверждать лишь то, что возраст Вселенной составля­ет от 10 до 20 миллиардов лет.

Это означает, что около 10-20 миллиардов лет назад произошел колоссальный взрыв, в результате которого родилась наша Вселенная.