Почему Млечный путь движется с такой огромной скоростью – 500 км/с?

 

Одна из основных задач астрономии – определение величины постоянной Хаббла с высокой степенью точности. Для этого нужно измерить скорость, с которой галактика удаляется от нас (по доплеровскому смещению спектральных линий) и поделить величину этой скорости на расстояние до неё. Однако скорость любой галактики определяется не только скоростью расширения Вселенной, но и её взаимодействием с соседними галактиками. Поэтому скорость V галактики можно представить в виде следующей суммы:

V = V_H + V_p (7.1)

Здесь V_H – хаббловская скорость удаления галактики, такую скорость она имела бы в том случае, если бы не взаимодействовала с окружающими её массами; V_p – пекулярная, то есть особенная, или местная, скорость галактики, эту скорость она могла получить в результате взаимодействия с окружающими её массами.

Кроме того, по доплеровскому смещению спектральных линий мы можем определить только скорость, с которой галактика удаляется от нас. Но ведь мы тоже как-то движемся в пространстве. Скорость движения Земли вокруг Солнца (30 км/с) и скорость движения Солнечной системы вокруг галактического центра (» 200 км/с) учесть нетрудно. А с какой скоростью движется наша Галактика? Наблюдая за движением ближайших галактик, можно оценить, как движется наша Галактика относительно центра масс Местной группы галактик. Но ведь возможно, что и Местная группа галактик тоже движется в пространстве. Можно ли определить эту скорость?

До 70-х годов двадцатого века астрономы были уверены в том, что пекулярные скорости галактик существенно меньше хаббловских скоростей. Американский астроном Алан Сендидж из обсерватории Маунт-Вилсон смог вполне убедительно доказать, что типичные пекулярные скорости составляют менее 100 км/с [57]. В противном случае, если пекулярные скорости превышали бы 100 км/с и были бы направлены случайным образом в разные стороны, то многие ближайшие к нам галактики имели бы не красные, а синие смещения в своих спектрах. Но этого не наблюдается. Практически все галактики (за исключением туманности Андромеды) имеют красные смещения.

Также существуют и теоретические доводы в пользу небольших пекулярных скоростей. Согласно современной космологии на ранних этапах расширения Вселенной материя была распределена в пространстве достаточно равномерно. Такой вывод делается на основании высокой изотропии реликтового излучения. Поэтому галактики могли приобрести пекулярные скорости только в результате гравитационного взаимодействия с соседними галактиками. Таким образом, галактика может иметь высокую пекулярную скорость только в том случае, если она находится в поле тяготения какой-нибудь огромной массы, например, вблизи гигантской галактики или внутри большого скопления галактик. А сами скопления галактик, соответственно, не могут иметь больших пекулярных скоростей.

В 1975 году Вера Рубан и Кент Форд из института Карнеги в Вашингтоне решили определить пекулярную скорость нашей Галактики. Для этого они использовали особый класс гигантских спиральных галактик, абсолютная светимость которых практически одинакова. В. Рубан и К. Форд выбирали галактики этого класса, видимая светимость которых была одинакова. Это означало, что выбранные галактики находятся практически на одинаковом расстоянии от Земли. Затем измерялись красные смещения этих галактик. После этого В. Рубан и К. Форд выбирали галактики того же класса, но другой светимости и измеряли у них красные смещения.

Идея метода была проста. Если пекулярная скорость Млечного Пути равна нулю, то красное смещение галактик, находящихся на одинаковом расстоянии от него, должно быть, в среднем, одинаковым, независимо от направления. Если же Млечный путь имеет высокую пекулярную скорость, то красные смещения галактик в направлении этой скорости должны быть несколько меньше, чем в противоположном направлении.

После того как Рубан и Форд статистически обработали полученные данные, они пришли к сенсационному выводу: Млечный Путь движется со скоростью примерно 500 км/с относительно системы координат, связанной с далёкими галактиками!

 

Рис. 25. Систематически исследуя красные смещения галактик, находящихся на одинаковых расстояниях от Млечного Пути, Вера Рубан и Кент Форд пришли к сенсационному выводу. Красное смещение галактик в направлении созвездия Рыб, в среднем, существенно меньше, чем в противоположном направлении. И этот результат можно объяснить, только предположив, что Млечный Путь движется в этом направлении с огромной скоростью – 500 км/с [57,с.15]. При определении этой скорости, естественно, была учтена скорость Солнечной системы вокруг галактического центра.

 

Для большинства астрономов этот вывод был настолько ошеломляющим, что они отказались в него поверить. Им было проще принять, что в измерениях Рубан и Форд содержится какая-то систематическая ошибка. Ну не может Млечный Путь двигаться с такой скоростью! Во-первых, потому что практически все галактики имеют только красные смещения и, следовательно, их пекулярные скорости не могут превышать 100 км/с. А во-вторых, высокую пекулярную скорость Млечный Путь мог получить только в результате гравитационного притяжения какой-то огромной массы, но никакой такой огромной массы в ближайших окрестностях Млечного Пути нет.

Тем не менее, в измерениях, проделанных Рубан и Форд, никакой систематической ошибки обнаружено не было.

 

7.2. Вторая тайна: Млечный Путь движется с огромной скоростью одновременно в двух противоположных направлениях!

 

Для того чтобы определить пекулярную скорость нашей Галактики, необходимо выбрать подходящую для этого систему отсчёта. Вера Рубан и Кент Форд использовали в качестве такой системы далёкие галактики. Но после открытия реликтового излучения стало ясно, что именно это излучение можно использовать в качестве подходящей системы для измерения пекулярной скорости. И в 1977 году прибор, установленный на воздушном шаре, зарегистрировал небольшую анизотропию в распределении температуры реликтового излучения. В одном направлении температура была на несколько тысячных долей градуса выше средней, а в противоположном – на столько же ниже. Ситуация выглядела так, что Земля движется относительно фона реликтового излучения со скоростью около 300 км/с. В последующие годы точность измерения температуры реликтового излучения постоянно повышалась и, наконец, достигла такого уровня, что стало возможным измерить анизотропию фона реликтового излучения, вызванную годичным движением Земли вокруг Солнца.

В настоящее время твёрдо установлено, что Солнечная система движется со скоростью приблизительно 300 км/с по отношению к реликтовому излучению. И это несмотря на то, что Солнечная система движется вокруг галактического центра прямо в противоположную сторону со скоростью около 220 км/с. Таким образом, путём простого сложения скоростей, получаем, что наша Галактика движется относительно реликтового фона почти в ту же сторону, что и Земля, но со скоростью уже около 520 км/с.

 

 

Рис. 26. С одной стороны, Солнечная система движется со скоростью 220 км/с вокруг центра Галактики. С другой стороны, она движется в противоположном направлении со скоростью 300 км/с относительно фона реликтового излучения. Следовательно, наша Галактика движется со скоростью 520 км/с относительно реликтового фона.

 

Если также учесть относительную скорость нашей Галактики и Туманности Андромеды, то можно прийти к следующему выводу. Вся наша Местная группа галактик (то есть Млечный Путь, Туманность Андромеды и около сорока небольших соседних галактик) движутся относительно фона реликтового излучения со скоростью 500-600 км/с примерно в направлении созвездия Льва [178,с.227].

Получается, что Рубан и Форд были правы, когда утверждали, что наша Галактика имеет высокую пекулярную скорость? Ведь прямые измерения анизотропии реликтового излучения подтверждали существование такой огромной скорости. Но всё оказалось далеко не так просто, потому что из данных, полученных Рубан и Форд, следовало, что наша Галактика движется со скоростью 500 км/с не в направлении созвездия Льва, а почти в противоположном направлении!

Итак, сначала были получены астрономические данные, приводящие к неправдоподобному выводу о высокой пекулярной скорости нашей Галактики. А затем были получены астрономические данные, которые, с одной стороны, подтверждали этот вывод о высокой пекулярной скорости, но, с другой стороны, явно ему противоречили.

Давайте попробуем проанализировать сложившуюся ситуацию. Рубан и Кент измерили красные смещения огромного числа далёких галактик, обработали полученные результаты и пришли к следующему выводу. Млечный Путь движется приблизительно в направлении созвездия Водолея со скоростью около 500 км/с относительно далёких галактик. Какие основания были у астрономов не доверять этому выводу? Единственное основание – предубеждение против высокой пекулярной скорости. По мнению астрономов того времени, Млечный Путь просто не может двигаться с такой большой скоростью. Затем, когда было установлено, что Млечный Путь всё же движется с такой огромной скоростью относительно реликтового фона, то это возражение, естественно, отпало. Но появилось новое. Млечный Путь не может двигаться в направлении созвездия Водолея, потому что он движется в противоположном направлении – в направлении созвездия Льва. Не может же Млечный путь двигаться одновременно в двух различных направлениях!

Но не стоит забывать, что астрономические наблюдения – это единственная надёжная основа космологии. Всё остальное – это только гипотезы, домыслы и умозаключения. Поэтому нельзя так просто отбрасывать данные наблюдений. Любые астрономические данные, какими бы странными они не казались, нужно либо объяснить, либо найти в них ошибки, либо честно сказать, что в настоящее время их невозможно разумно интерпретировать, что и было сделано [57,с.15,16]:

 

Микроволновые данные подтвердили утверждение о быстром движении нашей Галактики, отстаиваемое Рубин и Фордом, однако конкретные детали расходились: два вектора скорости указывали почти в противоположные стороны. Поскольку данные, полученные из микроволнового эксперимента, было невозможно отрицать, то результаты Рубин и Форда были помещены в архив в отдел «Необъяснённых результатов», и исследователи обратились к новому вопросу: чем вызвана большая пекулярная скорость Местной Группы?

 

Действительно, прежде чем попытаться понять, как Млечный Путь может двигаться сразу в двух различных направлениях с такими огромными скоростями, следует выяснить, почему Млечный Путь движется с огромной пекулярной скоростью хотя бы в одном направлении.

 

Поиски Великого аттрактора

 

Согласно современной космологии материя в ранней Вселенной была распределена достаточно равномерно, а галактики возникли в результате гравитационного сжатия областей, плотность материи внутри которых была незначительно выше средней. С этой точки зрения высокая пекулярная скорость какой-нибудь галактики может быть вызвана исключительно её гравитационным взаимодействием с какой-то большой массой. Но вблизи нашей Местной группы галактик никакой большой массы не наблюдается. И именно поэтому астрономы полагали, что Млечный Путь не может двигаться со скоростью 500 км/с.

Но когда было установлено, что Млечный Путь всё же движется с такой большой скоростью, то возник вопрос о местонахождении огромной массы, которая своим мощным гравитационным полем привела в движение всю нашу Местную группу галактик. Раз этой массы нет поблизости, значит, она находится далеко, а раз она находится далеко, то, значит, она очень большая. Эта гипотетическая гигантская масса получила название «Великий аттрактор».

Сделаем оценку массы Великого аттрактора. Чтобы найти среднее ускорение какого-либо тела, нужно поделить его скорость на время, в течение которого тело приобрело эту скорость. Скорость Местной группы – 500 км/с. В качестве времени, за которое она приобрела эту скорость, можно взять возраст Вселенной: Т _Un» 15 млрд. лет» 5×10¹⁷ с. В результате, получаем, что среднее ускорение примерно равно: а _ср» 10 ^-12 м/с². Учитывая закон Всемирного тяготения получаем значение массы М _ат Великого аттрактора в зависимости от расстояния r _ат до него:

(7.2)

Проделав вычисления в системе СИ, получаем:

М _ат» 1,5×10^-2 кг (7.3)

Например, если бы Великий аттрактор находился на расстоянии 10 млн. св. лет от нас (10²³ м), то его масса была бы М _ат» 1,5×10⁴⁴ кг. Это почти в сто раз больше, чем масса всей Местной группы галактик. И на расстояниях 10 млн. св. лет таких огромных масс нет. Следовательно, если Великий аттрактор существует, то он находится значительно дальше, и в этом случае его масса должна возрастать пропорционально квадрату расстояния до него.

В 80-х годах двадцатого века несколько научных групп из разных университетов, институтов и обсерваторий, расположенных по всему миру, интенсивно вели поиски Великого аттрактора. В качестве одного из вероятных кандидатов на эту роль было рассмотрено скопление галактик в созвездии Девы, так как это ближайшее к нам гигантское скопление, состоящее из нескольких тысяч галактик. Однако, как показали наблюдения, центр этого скопления был смещён примерно на 50° от направления движения Местной группы галактик, и поэтому скопление в Деве не могло быть единственной причиной, определяющей скорость Местной группы. Дальнейшие исследования привели к ошеломляющим результатам. Оказалось, что не только наша Местная группа галактик и ближайшие к ней небольшие группы, но и всё Местное сверхскопление галактик, включая гигантское скопление в созвездии Девы, движется с большой скоростью относительно микроволнового фона. Вот как это было прокомментировано в журнале «В мире науки» [57,с.18]:

 

Однако если такой большой объект, как сверхскопление, обладает заметной пекулярной скоростью, то необходимо было предположить, что Вселенная должна быть неоднородной в очень больших масштабах. Эта возможность в то время представлялась маловероятной, и её никто серьёзно не рассматривал.

 

Однако дальнейшие независимые исследования подтвердили наличие высокой пекулярной скорости у всего Местного сверхскопления. И ещё острее стал вопрос о гигантской массе, которая вызвала этот крупномасштабный поток галактик. Ведь чем дальше находится Великий аттрактор, тем больше его масса (7.3). А если он расположен на расстоянии 100 млн. св. лет и более, то его масса должна превышать 10¹⁶ М _*! В противном случае он не смог бы разогнать Местное сверхскопление до такой скорости.

Вектор скорости Местного сверхскопления направлен в сторону следующего по удалённости сверхскопления, расположенного в созвездии Гидра и Центавра. Поэтому первоначально астрономы полагали, что именно это сверхскопление и является Великим аттрактором. Вопрос был лишь в том, достаточна ли его масса для этого. Кроме того, необходимо было убедиться, что само сверхскопление Гидра-Центавра покоится относительно реликтового фона. Чтобы выяснить это, группа астрономов из разных стран, используя крупнейшие телескопы США, Чили, Австралии и Южной Америки, в течение пяти лет проводила измерения расстояний и пекулярных скоростей огромного числа галактик, расположенных в объёме диаметром несколько сотен миллионов световых лет. В результате исследований было выяснено, что сверхскопление Гидра-Центавра само движется относительно реликтового фона со скоростью даже большей, чем скорость Местной группы, и поэтому не подходит на роль Великого аттрактора. Кроме того, было обнаружено, что и другие сверхскопления, находящиеся в объёме диаметром сотни миллионов световых лет, также движутся с высокой скоростью относительно реликтового фона примерно в том же направлении.

Таким образом, поиски Великого аттрактора привели к открытию крупномасштабного потока галактик. То есть вместо того чтобы найти гигантскую массу, вызвавшую движение Млечного Пути, астрономы обнаружили, что все гигантские сверхскопления в радиусе сотен миллионов световых лет сами движутся с высокой скоростью примерно в одну сторону под действием неизвестной причины. Смотри, например, статью «Крупномасштабный поток галактик», опубликованную в ноябрьском номере журнала «В мире науки» за 1987 год [57].