Третья тайна: Так что же всё-таки открыл Эдвин Хаббл В 1929 году.

 

Наверно, любой, кто интересуется астрономией, знает, что открыл Эдвин Хаббл в 1929 году. В 20-х годах двадцатого века Хаббл определил расстояния до галактик, расположенных в радиусе 50 миллионов световых лет от нас, и обнаружил, что величина красного смещения в спектре излучения галактики пропорциональна расстоянию до неё. В дальнейшем открытый Хабблом закон был полностью подтверждён и для более далёких галактик. В наше время общепринято, что красные смещения в спектрах излучения галактик есть результат доплеровского эффекта, вызванного расширением Вселенной. Таким образом, Хаббл открыл расширение Вселенной.

С одной стороны, галактики удаляются друг от друга вследствие расширения Вселенной. Но с другой стороны, благодаря закону Всемирного тяготения, галактики притягиваются друг к другу, образуя группы и скопления галактик. Если мы возьмём гравитационно связанное скопление галактик, то, естественно, внутри этого скопления никакого космологического расширения быть не должно. Например, наша Местная группа насчитывает около сорока галактик, находящихся в объёме с радиусом около 1,5 миллионов световых лет. И никакого космологического расширения внутри неё не наблюдается. Таким образом, космологическое расширение должно иметь место не в масштабе, охватывающем несколько галактик, а в гораздо бóльших масштабах, охватывающих хотя бы несколько крупных скоплений галактик. Крупные скопления галактик состоят из многих тысяч галактик и имеют размеры 50¸100 миллионов световых лет. Галактики внутри таких скоплений распределены очень неравномерно: вблизи центра концентрация галактик повышается, а на окраине – падает. Крупные скопления разделены пустотами, размеры которых, как правило, превышают размеры скоплений. Внутри таких пустот галактики и небольшие группы галактик встречаются крайне редко. Ближайшее к нам крупное скопление – скопление галактик в Деве. Его центр находится на расстоянии 50 миллионов световых лет от нас, и можно сказать, что наша Местная группа находится вблизи самой окраины этого скопления. И, конечно же, не следует ожидать, что гравитационно связанные между собой галактики, находящиеся внутри одного скопления, будут подчиняться закону, открытому Хабблом. Закон Хаббла должен действовать только на космологических масштабах, то есть на таких масштабах, на которых распределение материи становится более однородным. А однородное распределение материи начинается только на расстояниях порядка 300 миллионов световых лет и более.

Сделаем количественные оценки. Наша Местная группа галактик имеет диаметр около 3 миллионов световых лет. Относительные скорости галактик внутри неё порядка 100 км/с. Используя закон Хаббла, мы можем рассчитать хаббловскую скорость галактик, находящихся на расстоянии 3 миллиона световых лет. Она составляет примерно 70 км/с, что меньше, чем 100 км/с. Крупные скопления галактик имеют радиус до 50 миллионов световых лет, относительные скорости галактик внутри таких скоплений могут достигать 1000 км/с. Хаббловская скорость для галактик, находящихся на расстоянии 50 миллионов световых лет, также составляет приблизительно 1000 км/с. Ясно, что закон Хаббла будет выполняться с хорошей точностью только на расстояниях значительно бóльших, чем 50 миллионов световых лет, при условии, что хаббловская скорость галактики будет много больше её местной скорости внутри скопления.

Таким образом, закон, открытый Хабблом, может быть применим только на больших расстояниях – 300 миллионов световых лет и более. Что же касается расстояний в 50 миллионов световых лет и менее, то на таких расстояниях этот закон выполняться не будет.

А теперь вспомним, на каких расстояниях Хаббл открыл свой закон (рис. 27). Это расстояния в пределах 50 миллионов световых лет. А мы только что выяснили, что на таких расстояниях закон Хаббла действовать не может! Но если закон Хаббла не может действовать на таких расстояниях, то что же тогда открыл Хаббл?

 

 

 

 

Рис. 27. Оригинальная Хаббловская диаграмма 1929 года.

Галактики изображены маленькими кружочками. По горизонтали отложены расстояния до галактик в парсеках (1 пк» 3,26 св. года). По вертикали скорости удаления галактик. Во времена Хаббла расстояния до галактик были занижены почти в 10 раз. Взято из [178,с.214].

 

Вспомним вкратце историю открытия расширения Вселенной. В 20-е годы двадцатого века Хаббл обнаружил, что красные смещения в спектрах галактик пропорциональны расстояниям до них. Это касалось всех галактик, находящихся вне нашей Местной группы галактики, то есть расположенных несколько далее Туманности Андромеды. Астрономов (да и вообще всех людей, интересующихся астрономией) настолько поразил этот факт, что в течение нескольких десятилетий велись ожесточённые споры о происхождении красного смещения. Кроме того, во времена Хаббла считалось, что галактики распределены в пространстве достаточно равномерно. Крупные скопления галактик, а тем более, гигантские пустоты между ними были открыты гораздо позднее. Теория расширяющейся Вселенной получила широкое распространение только после открытия реликтового излучения в 1965 году. А крупномасштабная структура Вселенной стала вырисовываться ещё позже, только в 80-х годах двадцатого века. Поэтому вполне понятно, почему астрономы в первой половине двадцатого века не задавали простого вопроса:

Начиная с каких расстояний должен выполняться закон Хаббла?

Этот вопрос стали задавать позднее, когда выяснили, что распределение материи в малых масштабах пространства очень неравномерно. И тогда же астрономы поняли, что в малых масштабах закон Хаббла выполняться не может. Но, тем не менее, он выполняется! Красные смещения в спектрах галактик, находящихся очень близко от нас, в пределах 5-50 миллионов световых лет пропорциональны расстояниям до них. И коэффициент пропорциональности тот же самый, что и для галактик, удалённых на космологические расстояния – на расстояния порядка 1 миллиарда световых лет и более.

Получается, наше Местное сверхскопление галактик расширяется по тому же самому закону Хаббла, что и вся Вселенная! Как такое может быть?

В виду особой важности этой проблемы приведу цитату из книги А. Чернина, ведущего сотрудника Государственного Астрономического института им. Штернберга [178,с.250,251]:

 

В ближайшей окрестности нашей Галактики, в объёме с радиусом в 20 Мпк, никакой однородности в распределении вещества нет. В мире галактик это свойство наблюдается лишь в масштабах 300 миллионов световых лет и более. Распределение же вещества в ближнем объёме, напротив, крайне неравномерно: здесь имеются группы галактик с размерами около 1 Мпк, все они входят в большое скопление галактик Вирго (т. е. Дева), центр которого лежит в направлении на одноимённое созвездие и находится от нас на расстоянии приблизительно в те же 20 Мпк, и т. п.

Как при таких условиях здесь возможен регулярный космологический поток расширения с линейной зависимостью скорости от расстояния? Ведь по теории Фридмана такое регулярное расширение возможно лишь в случае однородности вещества в пространстве!

Приглядимся снова к хаббловской диаграмме (рис. 27). Наименьшие скорости удаления у Хаббла составляют всего одну – две сотни км/сек; и это означает, что хаббловский поток берёт начало очень близко от нас, на расстояниях всего в несколько Мпк.

Но это катастрофически не тот, не космологический пространственный масштаб.

Остаётся лишь спросить: а имеет ли открытие Хаббла какое-либо отношение в космологии?

К настоящему времени наблюдениям стали доступны галактики со скоростями разбегания вплоть до сотни тысяч км/сек, что соответствует расстояниям в тысячи Мпк. Это бесспорно космологические масштабы. На таких масштабах линейный закон расширения надёжно и уверенно установлен, – в полном соответствии с теоретическими ожиданиями в духе фридмановской теории. Но что поразительней всего, для этих глобальных космологических масштабов постоянная Хаббла имеет практически то же самое численное значение, что и в локальном объёме до расстояний всего в 10-20 Мпк.

Согласно Алану Сэндиджу, космологическое расширение прослеживается вплоть до 1,5-2 Мпк от нас, и локальный темп подобен глобальному, если только он не совпадает с ним точно, на уровне ~10%. Это данные из статьи Сэндиджа, опубликованной в 1999 г., ровно через 70 лет после первой космологической публикации Хаббла.

Говоря иными словами, общая картина расширения выглядит так, как если бы глобальный космологический поток и в самом деле начинался прямо вблизи нас и, простираясь далее чуть не до горизонта мира, сохранял всюду свою кинематическую идентичность. Как же это может быть?

Такова загадка, существующая в космологии со времён Хаббла. Сэндидж, один из самых крупных космологов-наблюдателей наших дней, прямо пишет в работе 1999 г.: «мы так и останемся с этой тайной».

 

Итак, Хаббл открыл не расширение Вселенной, а расширение Местного сверхскопления галактик. Но, как оказалось впоследствии, закон, по которому происходит расширение Вселенной, практически совпадает с законом, открытым Хабблом. Почему?

 

Антигравитация вакуума?

 

Итак, к концу двадцатого века астрономы вдруг осознали очень интересный и, на первый взгляд, совершенно неправдоподобный факт. Расширение Вселенной в малых масштабах, где материя распределена очень неравномерно, происходит по тому же закону, что и в больших масштабах, где материя распределена почти равномерно. Получалось, что распределение материи внутри Вселенной практически не влияет на её расширение.

В 2001 году астрономы Специальной астрофизической лаборатории РАН исследовали около двухсот близких галактик, расположенных сразу же за пределами Местной группы галактик на расстояниях 5-25 миллионов световых лет. Расстояния до галактик были определены с погрешностью менее 20%, а их скорости относительно центра масс Местной группы измерены с погрешностью менее 5 км/с. И ещё раз, только с гораздо более высокой точностью, было подтверждено: скорости удаления близких галактик подчиняются тому же линейному закону, что и скорости удаления далёких галактик. И постоянная Хаббла для близких галактик та же самая (в пределах точности измерений), что и для далёких галактик [178,с.252]:

Н = 20 ± 3 км/с на каждый млн. св. лет (7.4)

Для того чтобы объяснить этот странный феномен, некоторые астрономы, уже в который раз за всю историю существования общей теории относительности, выдвинули предположение об антигравитационных свойствах вакуума. Всё дело в том, что можно видоизменить гравитационные уравнения Эйнштейна, введя в них новую космологическую постоянную, так называемый лямбда-член. В этом случае между любыми двумя массами будут действовать (помимо обычных сил притяжения) силы отталкивания, пропорциональные расстоянию между ними. И всякий раз, когда в астрономии или космологии возникали серьёзные проблемы, то некоторые астрономы для решения этих проблем предлагали видоизменить уравнения Эйнштейна путём введения в них космологической постоянной. Но затем, когда проблема решалась, необходимость в космологической постоянной отпадала. И поэтому нет ничего удивительного в том, что в конце двадцатого века также «вспомнили» про антигравитационные свойства вакуума. Вот что пишет об этом А. Чернин [178,с.254,255]:

 

Можно сказать, что космология начинается теперь не с сотен Мпк, а с нескольких Мпк от нас. Она подступает почти вплотную к нам, к Млечному пути. И все это из-за динамического доминирования вакуума, как по Вселенной в целом, так и в самых малых её объёмах, вроде местного объёма.

Начиная с расстояний в несколько Мпк, галактики хаббловского потока движутся как пробные частицы на идеально регулярном фоне вакуума, который их разгоняет (верней, подгоняет). Критический пункт этих рассуждений – кинематическая идентичность хаббловского потока на всём интервале масштабов от нескольких Мпк до самых больших расстояний в мире галактик. Этот вопрос, который до сих пор ставил в тупик думающих астрономов – наблюдателей, теперь, кажется, проясняется. Действительно, раз во всех этих масштабах доминирует вакуум с его всюду одинаковой плотностью, то и темп расширения, характеризуемый постоянной Хаббла, должен быть везде почти одинаков, поскольку постоянная Хаббла определяется почти исключительно одной только плотностью вакуума.

В этом, возможно, и состоит разгадка той «тайны», которая существовала со времён работы Хаббла 1929 г. И о которой совсем недавно говорил Сэндидж.

Мы видим, что только с открытием космического вакуума стали по-настоящему ясны космологическое значение и реальный физический смысл открытия, сделанного Хабблом по наблюдениям в местном объёме Вселенной.

Да, глубоко внутри ячейки однородности общего распределения галактик Хаббл открыл глобальный космологический феномен расширения Вселенной. Но по существу он тем самым открыл ещё и космологический вакуум.

 

Итак, А. Чернин (как и некоторые другие астрономы), полагает, что Хаббл открыл антигравитационные свойства вакуума. Логика, которая привела российского астронома к такому выводу, достаточно проста. Величина постоянной Хаббла одна и та же и на малых, и на космологических расстояниях. То есть сильно неоднородное распределение материи в малых масштабах практически не влияет на её расширение. Следовательно, расширение Вселенной определяется главным образом не гравитационными свойствами материи, а чем-то другим. Кроме материи во Вселенной существует ещё вакуум (то есть пустота) и, значит, расширение Вселенной определяется в основном вакуумом, а точнее его антигравитационными свойствами.

Необходимо подчеркнуть, что никаких прямых экспериментов или наблюдений, подтверждающих наличие у вакуума антигравитационных (или гравитационных) свойств нет. То, что вакуум может обладать такими свойствами, – это всего лишь гипотеза, используемая для объяснения той или иной космологической проблемы. Поэтому давайте внимательно исследуем такой вопрос: можно ли антигравитацией вакуума объяснить загадку Хаббла?

Сначала рассмотрим доводы в поддержку положительного ответа на этот вопрос.

Предположим, две галактики находятся на расстоянии r друг от друга. С одной стороны, между ними действуют гравитационные силы притяжения. С другой стороны, если мы предполагаем, что вакуум обладает антигравитационными свойствами, между ними действуют силы отталкивания. Если в движении галактик основную роль играет вакуум и обычными гравитационными силами притяжения можно пренебречь, то галактики будут удаляться друг от друга с ускорением а, прямо пропорциональным расстоянию между ними:

а ~ r (7.5)

Или, введя коэффициент пропорциональности К _L:

а = К _L r (7.6)

Величина К _L определяется величиной космологической постоянной L.

Решим уравнение (7.6). Для этого преобразуем его левую часть:

(7.7)

Здесь V – скорость, с которой галактики удаляются друг от друга. Из (7.7) следует:

(7.8)

Взяв интеграл от обеих частей этого уравнения, получаем:

(7.9)

Мы предполагаем, что расширение вызвано только антигравитацией вакуума, то есть если r = 0, то V = 0. Поэтому получаем:

(7.10)

Мы получили, что скорость удаления галактик друг от друга пропорциональна расстоянию между ними. И роль постоянной Хаббла играет величина :

Н = (7.11)

Полученный результат можно обобщить и на большее число галактик. В результате, приходим к следующему выводу. Если пространство заполнено галактиками, и определяющую роль в их движении играет антигравитация вакуума, то галактики будут удаляться друг от друга со скоростями, пропорциональными расстоянию между ними (7.10). При этом не имеет значения, равномерно или неравномерно распределены эти галактики в пространстве. Всё это, на первый взгляд, соответствует предположению, разделяемому А. Черниным, что движение галактик в Местном сверхскоплении определяется антигравитацией вакуума.

Теперь рассмотрим доводы против антигравитационной гипотезы. Будем рассуждать от противного. Предположим, что движение галактик определяется только силами гравитации, действующими между ними, и антигравитацией вакуума.

Сила притяжения, действующая между двумя массами, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. А сила отталкивания прямо пропорциональна расстоянию между ними (7.6). Поэтому на больших расстояниях преобладает антигравитация, а на малых – гравитация. Например, внутри нашей Местной группы галактик преобладает гравитация, а за её пределами – антигравитация. И именно поэтому галактики, находящиеся за пределами Местной группы, удаляются от неё.

Но ведь в прошлом расстояния между галактиками были намного меньше, чем сейчас. А в очень далёком прошлом всё вещество наблюдаемой Вселенной занимало объём меньший, чем объём Местной группы галактик, диаметр которой 3 миллиона световых лет. И, следовательно, в то время гравитационное притяжение, действующее между частями Вселенной, намного превосходило гравитационное отталкивание. Как же в таком случае Вселенная могла расширяться?

Итак, предположив, что расширение Вселенной есть следствие антигравитации, мы приходим к выводу, что ранняя Вселенная всё равно не могла расширяться за счёт антигравитации. И, следовательно, гипотеза об антигравитационных свойствах вакуума не в состоянии объяснить сам факт расширения Вселенной. Зачем в таком случае вводить такую гипотезу? Кроме того, что антигравитационная гипотеза не объясняет расширение ранней Вселенной, она также не в состоянии объяснить и высокую пекулярную скорость Млечного Пути и всего Местного сверхскопления галактик. Ведь если во Вселенной основную роль играет антигравитация, то из-за чего может возникнуть высокая пекулярная скорость чего бы то ни было относительно реликтового фона?

Можно также отметить, что сам факт выдвижения подобных экзотических гипотез для объяснения той или иной астрономической проблемы, свидетельствует о кризисе в астрономии.